Biosenzor

**Biosenzor** je analitički uređaj za detekciju hemijske supstance, koji kombinuje biološku komponentu sa fizičko-hemijskim detektorom. 
*Osetljivi biološki element*, npr. tkivo, mikroorganizmi, organele, ćelijski receptor, enzimi, antitijela, nukleinske kiseline, itd., je biološki izveden materijal ili biomimetska komponenta koja stupa u interakciju sa analitom, veže se ili prepoznaje analit koji se proučava. Biološki osjetljivi elementi također mogu biti stvoreni biološkim inženjerstvom.

*Transduktor* ili *detektorski element*, koji transformiše jedan signal u drugi, djeluje na fizičko-hemijski način: optički, pijezoelektrični, elektrohemijski,
elektrohemiluminiscencijski itd., kao rezultat interakcije analita sa biološkim elementom, za lahko mjerenje i kvantificiranje.
Uređaj za čitanje biosenzora povezuje se s pripadajućom elektronikom ili procesorima signala koji su prvenstveno odgovorni za prikaz rezultata na način koji je prilagođen korisniku. Ovo ponekad predstavlja najskuplji dio senzorskog uređaja, ali moguće je generirati ekran prilagođen korisniku koji uključuje pretvarač i osjetljivi element (holografski senzor). Čitači su obično posebno dizajnirani i proizvedeni tako da odgovaraju različitim principima rada biosenzora.

## Biosenzorski sistem
Biosenzor se obično sastoji od bioreceptora (enzim/antitijelo/ćelija/nukleinska kiselina/aptamer), komponente pretvarača (poluprovodni materijal/nanomaterijal) i elektronski sistem koji uključuje pojačalo signala, procesor i ekran. Transduktori i elektronika mogu se kombinovati, npr. u CMOS baziranim mikrosenzorskim sistemima. Komponenta za prepoznavanje, koja se često naziva bioreceptor, koristi biomolekule iz organizama ili receptore modelirane prema biološkim sistemima za interakciju sa analitom od interesa. Ovu interakciju mjeri biotransduktor koji daje mjerljivi signal proporcionalan prisustvu ciljnog analita u uzorku. Opći cilj dizajna biosenzora je omogućiti brzo i praktično testiranje na mjestu zabrinutosti ili njege gdje je pribavljen uzorak.

## Bioreceptori
U biosenzoru, bioreceptor je dizajniran da stupi u interakciju sa specifičnim analitom od interesa kako bi se proizveo efekat koji se može mjeriti pomoću sonde. Visoka selektivnost za analit među matriksom drugih hemijskih ili bioloških komponenti je ključni zahtev za bioreceptor. Dok tip korištene biomolekule može uveliko varirati, biosenzori mogu se klasificirati prema uobičajenim tipovima interakcija bioreceptora koji uključuju: antitijelo/antigen, enzime/ligande, nukleinske kiseline/DNK ćelijske strukture/ćelije ili biomimetske materijale.

### Interakcije antitijela/antigeni
Imunosenzor koristi vrlo specifičan afinitet vezivanja antitijela za specifični spoj ili antigen. Specifična priroda interakcije antitijelo-antigen je analogna bravi i ključu, po tome što će se antigen vezati za antitijelo samo ako ima ispravnu konformaciju. Događaji vezivanja rezultiraju fizičkohemijskom promjenom koja u kombinaciji sa tragačem, kao što su fluorescentne molekule, enzimi ili radioizotopi, može generirati signal. Postoje ograničenja u korištenju antitijela u senzorima: 
#Kapacitet vezivanja antitijela snažno ovisi o uvjetima analize (npr. pH i temperatura), i 
#Interakcija antitijela i antigena je općenito robusna, međutim, vezivanje može biti poremećeno haotropnim reagensima, organskim rastvaračima ili čak ultrazvučnim zračenjem.

Interakcije antitijelo-antigen se također mogu koristiti za serološko testiranje, ili detekciju cirkulirajućih antitijela kao odgovora na određenu bolest. Važno je da su serološki testovi postali važan dio globalnog odgovora na pandemiju COVID-19.

### Vještački vezujući proteini
Upotreba antitijela kao komponente biosenzora za biološko prepoznavanje ima nekoliko nedostataka. Imaju veliku molekulsku težinu i ograničenu stabilnost, sadrže esencijalne disulfidne veze i skupe su za proizvodnju. U jednom pristupu za prevazilaženje ovih ograničenja, konstruisana su antitijela rekombinantni vezujući fragmenti (Fab, Fv ili scFv) ili domeni (VH, VHH). U drugom pristupu, konstruisane su male proteinske skele sa povoljnim biofizičkim svojstvima da generišu veštačke porodice proteina koji vezuju antigen (AgBP), sposobne da se specifično vežu za različite ciljne proteine dok zadržavaju povoljna svojstva roditeljske molekule. Elementi porodice koji se specifično vezuju za dati ciljni antigen, često se biraju tehnikama *in vitro* prikaza: prikaz faga, prikaz ribosoma, prikaz kvasca ili iRNK prikaz. Vještački vezni proteini su mnogo manji od antitijela (obično manje od 100 aminokiselinskih ostataka), imaju jaku stabilnost, nemaju disulfidne veze i mogu se eksprimirati u velikom prinosu u reducirajućim ćelijskim sredinama poput bakterijske citoplazme, za razliku od antitijela i njihovih derivata. Stoga su posebno pogodni za stvaranje biosenzora.

### Enzimske interakcije
Specifične sposobnosti vezivanja i katalitska aktivnost enzima čine ih popularnim bioreceptorima. Prepoznavanje analita je omogućeno putem nekoliko mogućih mehanizama: 
#enzim koji pretvara analit u proizvod koji se može detektirati senzorom, 
#detektovanje inhibicije ili aktivacije enzima preko analita, ili 
#praćenje modifikacije svojstava enzima koja je rezultat interakcije s analitom. Schultz i Sims, 1979. predložili su upotrebu receptora za vezivanje afiniteta u svrhu biosenzivanja. a naknadno je konfigurisan u fluorescentni test za merenje glukoze u relevantnom fiziološkom opsegu između 4,4 i 6.1&nbsp;mmol/L. Princip senzora ima prednost u tome što ne troši analit u hemijskoj reakciji kao što se dešava u enzimskim testovima.

### Interakcije nukleinskih kiselina
Biosenzori koji koriste receptore zasnovane na nukleinskim kiselinama mogu se zasnivati ili na komplementarnim interakcijama uparivanja baza koje se nazivaju genosenzori ili specifičnim imitatorima antitijela na bazi nukleinske kiseline (aptameri) kao aptasenzori. U prvom slučaju, proces prepoznavanja se zasniva na principu komplementarnog baznog uparivanja, adenin:timin i citozin:guanin u DNK. Ako je poznata sekvenca ciljne nukleinske kiseline, komplementarne sekvence se mogu sintetizirati, označiti i zatim imobilizirati na senzoru. Događaj hibridizacije može se optički detektovati i utvrditi prisustvo ciljne DNK/RNK. U potonjem, aptameri generirani protiv mete prepoznaju ga međudjelovanjem specifičnih nekovalentnih interakcija i induciranog uklapanja. Ovi aptameri mogu se lako označiti fluorofor/metalnim nanočesticama za optičku detekciju ili se mogu koristiti za elektrohemijske ili konzolne platforme za detekciju bez oznaka za širok spektar ciljnih molekula ili složenih ciljeva poput ćelija i virusa. Dodatno, aptameri se mogu kombinovati sa enzimima nukleinske kiseline, kao što su DNKzimi koji cepaju RNK, obezbeđujući i prepoznavanje cilja i stvaranje signala u jednoj molekuli, što pokazuje potencijalne primjene u razvoju multipleksnih biosenzora.

### Epigenetika
Predloženo je da se pravilno optimizirani integrirani optički rezonatori mogu iskoristiti za otkrivanje epigenetučkih modifikacija (npr. metilacija DNK, posttranslacijske modifikacije histona) u tjelesnim tekućinama pacijenata oboljelih od raka ili drugih bolesti. Danas se razvijaju fotonski biosenzori sa ultraosjetljivošću na istraživačkom nivou, kako bi se lahko otkrile kancerogene ćelije u pacijentovom urinu. Različiti istraživački projekti imaju za cilj razvoj novih prijenosnih uređaja koji koriste jeftine, ekološki prihvatljive, jednokratne patrone sa jednostavnim rukovanjem bez potrebe za daljnjom obradom, pranjem ili manipulacijom stručnih tehničara.

### Organele
Organele formiraju odvojene odjeljke unutar ćelija i obično obavljaju funkcije neovisno. Različiti tipovi organela imaju različite metaboličke puteve i sadrže enzime koji ispunjavaju svoju funkciju. Obično korištene organele uključuju lizosome, hloroplaste i mitohondrije. Prostorno-vremenski obrazac distribucije kalcija usko je povezan sa sveprisutnim signalnim putem. Mitohondrije aktivno učestvuju u metabolizmu iona kalcija kako bi kontrolisali funkciju i također modulirali signalne puteve povezane s kalcijem. Eksperimenti su dokazali da mitohondrije imaju sposobnost da reaguju na visoke koncentracije kalcija koje se stvaraju u njihovoj blizini, otvaranjem kalcijskih kanala. Na taj način, mitohondrije se mogu koristiti za detekciju koncentracije kalcija u mediju, a detekcija je vrlo osjetljiva zbog visoke prostorne rezolucije. Druga primjena mitohondrija se koristi za detekciju zagađenja vode. Toksičnost spojeva deterdženta oštetit će ćeliju i subćelijsku strukturu uključujući mitohondrije. Deterdženti će uzrokovati efekat bubrenja koji se može mjeriti promjenom apsorpcije. Eksperimentalni podaci pokazuju da je brzina promjene proporcionalna koncentraciji deterdženta, pružajući visok standard za tačnost detekcije.

### Ćelije
Ćelije se često koriste u bioreceptorima jer su osjetljive na okolinu i mogu reagirati na sve tipove stimulansa. Ćelije imaju tendenciju da se pričvrste za površinu tako da se mogu lahko imobilizirati. U poređenju sa organelama, ostaju aktivne duže vrijeme, a reproduktivnost ih čini ponovni iskoristljivim. Obično se koriste za otkrivanje globalnih parametara kao što su stanje stresa, toksičnost i organski derivati. Mogu se koristiti i za praćenje efekta liječenja lijekovima. Jedna primjena je korištenje ćelija za određivanje herbicida koji su glavni zagađivač vode. Mikroalge zarobljene su na kvarcni mikrofiber i fluorescencija hlorofila modifikovana herbicidima sakuplja se na vrhu snopa optičkih vlakana i prenosi u fluorimetar. Alge se kontinuirano uzgajaju kako bi se dobilo optimizirano mjerenje. Rezultati pokazuju da granica detekcije određenog herbicida može dostići nivo koncentracije ispod ppb. Neke ćelije se također mogu koristiti za praćenje mikrobne korozije. *Pseudomonas* sp. izoliran je od korodiranog materijala i imobiliziran na acetilceluloznoj membrani. Aktivnost disanja određuje se mjerenjem potrošnje kisika. Postoji linearna veza između proizvedene struje i koncentracije sumporne kiseline. Vrijeme odziva je povezano sa opterećenjem ćelija i okolnog okruženja i može se kontrolisati na najviše 5 minuta.

### Tkivo
Tkiva se koriste kao biosenzor za obilje postojećih enzima. Prednosti tkiva kao biosenzora uključuju sljedeće:

* lakše se imobiliziraju u odnosu na ćelije i organele
* veća aktivnost i stabilnost od održavanja enzima u prirodnom okruženju
* dostupnost i niska cijena
* izbjegavanje zamornog rada ekstrakcije, centrifugiranja i pročišćavanja enzima
* postoje neophodni kofaktori za funkcionisanje enzima
* raznolikost koja pruža širok spektar izbora u vezi sa različitim ciljevima.

Postoje i neki nedostaci tkiva kao biosenzora, kao što je nedostatak specifičnosti zbog interferencije drugih enzima i duže vrijeme odgovora zbog transportne barijere.

### Mikrobni biosenzori
Mikrobni biosenzori koriste reakciju bakterija na datu supstancu. Naprimjer, arsen se može otkriti pomoću ars operona koji se nalazi u nekoliko bakterijskih taksona.

## Površinsko vezivanje bioloških elemenata 
Važan dio biosenzora je pričvršćivanje bioloških elemenata (male molekule/proteini/ćelije) na površinu senzora (bilo da se radi o metalu, polimeru ili staklu). Najjednostavniji način je funkcionalizirati površinu kako bi se premazala biološkim elementima. Ovo se može učiniti polilizinom, aminosilanom, epoksisilanom ili nitrocelulozom u slučaju silicijskih čipova/silicijevog stakla. Nakon toga, vezani biološki agens se također može fiksirati—naprimjer, nanošenjem sloj po sloj alternativno nabijenih polimernih premaza.

Alternativno, mogu se koristiti trodimenzijske rešetke (hidrogel/kserogel) da ih hemijski ili fizički zarobe (pri čemu hemijski zarobljeni znači da se biološki element drži na mjestu snažnom vezom, dok fizički oni se drže na mjestu jer ne mogu proći kroz pore gela matriksa). Najčešće korišćeni hidrogel je sol-gel, staklasti silikat koji nastaje polimerizacijom silikatnih monomera (dodatih kao tetra alkil ortosilikata, kao što su TMOS ili TEOS) u prisustvo bioloških elemenata (zajedno sa drugim stabilizirajućim polimerima, kao što je PEG) u slučaju fizičkog zarobljavanja.

Druga grupa hidrogelova, koji se postavljaju u uslove pogodne za ćelije ili proteine, su akrilatni hidrogel, koji se polimerizuje nakon radikalne inicijacije. Jedan tip inicijatora radikala je peroksidni radikal, koji se obično stvara kombinacijom persulfata sa TEMED-om (Poliakrilamid gel se također obično koristi za proteinsku elektroforezu), alternativno, svjetlost se može koristiti u kombinaciji sa fotoinicijatorom, kao što je DMPA (2,2-dimetoksi-2-fenilacetofenon). Pametni materijali koji oponašaju biološke komponente senzora također se mogu klasificirati kao biosenzori, koristeći samo aktivno ili katalitičko mjesto ili analogne konfiguracije biomolekule.

## Biotransduktor
Biosenzori se mogu klasificirati prema njihovom tipu biotransduktora. Najčešći tipovi biotransduktora koji se koriste u biosenzorima su:

* elektrohemijski biosenzori
* optički biosenzori
* elektronski biosenzori
* pijazoelektrični biosenzori
* gravimetrijski biosenzori
* piroelektrični biosenzori
* magnetni biosenzori

### Elektrohemijski
Elektrohemijski biosenzori se obično zasnivaju na enzimskoj katalizi reakcije koja proizvodi ili troši elektrone (takvi enzimi se s pravom nazivaju redoks enzimi). Podloga senzora obično sadrži tri elektrode: referentna elektroda, radna elektroda i kontra elektroda. Ciljni analit je uključen u reakciju koja se odvija na površini aktivne elektrode, a reakcija može uzrokovati ili prijenos elektrona preko dvostrukog sloja (proizvodeći struju) ili može doprinijeti potencijalu dvostrukog sloja (proizvodeći napon). Možemo ili mjeriti struju (brzina protoka elektrona je sada proporcionalna koncentraciji analita) na fiksnom potencijalu ili se potencijal može mjeriti pri nultoj struji (ovo daje logaritamski odgovor). Tada je potencijal radne ili aktivne elektrode osjetljiv na naboj prostora i to se često koristi. Nadalje, direktna električna detekcija malih peptida i proteina bez oznaka je moguća pomoću njihovih unutrašnjih naboja korištenjem biofunkcionaliziranih ionski osjetljivih tranzistora s efektom polja.

Drugi primjer, potenciometrijski biosenzor, (potencijal proizveden pri nultoj struji) daje logaritamski odgovor sa visokim dinamičkim rasponom. Takvi biosenzori se često prave sitotiskom elektrodnih uzoraka na plastičnu podlogu, obloženu provodljivim polimerom, a zatim se zakači neki protein (enzim ili antitijelo). Imaju samo dvije elektrode i izuzetno su osjetljive i robusni. Omogućavaju detekciju analita na nivoima koji su se ranije mogli postići samo pomoću HPLC i LC/MS i bez rigorozne pripreme uzorka. Svi biosenzori obično uključuju minimalnu pripremu uzorka jer je biološka senzorska komponenta visoko selektivna za dotični analit. Signal se proizvodi elektrohemijskim i fizičkim promjenama u provodnom polimernom sloju zbog promjena koje se javljaju na površini senzora. Takve promjene se mogu pripisati ionskoj snazi, pH, hidrataciji i redoks reakcijama, potonje zbog enzimske oznake koja se okreće preko supstrata. Tranzistori sa efektom polja, u kojima je ulaz područje modificirano enzimom ili antitijelom, također mogu otkriti vrlo niske koncentracije različitih analita jer vezivanje analita za područje gejta FET-a uzrokuje promjenu struje odvod-izvor.

Razvoj biosenzora zasnovan na impedansnoj spektroskopiji danas je sve popularniji i mnogi takvi uređaji/razvoji se nalaze u akademskoj zajednici i industriji. Jedan takav uređaj, zasnovan na elektrohemijskoj ćeliji sa četiri elektrode, koristeći nanoporoznu aluminijsku membranu, pokazao je da detektuje niske koncentracije ljudskog alfa trombina u prisustvu visoke pozadine serumskog albumina. Also interdigitated electrodes have been used for impedance biosensors.

### Prekidač ionskog kanala
right|thumb|ICS – kanal otvoren right|thumb|ICS – kanal zatvoren

Pokazalo se da upotreba ionskih kanala nudi vrlo osjetljivu detekciju
ciljnih bioloških molekula. Ugrađivanjem ionskih kanala u podržane ili vezane dvoslojne membrane (t-BLM) pričvršćene na zlatnu elektrodu, stvara se električno kolo. Molekule hvatanja kao što su antitijela mogu se vezati za ionski kanal tako da vezivanje ciljne molekule kontrolira protok iona kroz kanal. Ovo rezultira mjerljivom promjenom električne provodljivosti koja je proporcionalna koncentraciji mete.

Biosenzor ionskog prekidača (ICS) može se stvoriti korištenjem gramicidina, dimernog peptidnog kanala, u privezanoj dvoslojnoj membrani. Jedan peptid gramicidina, sa vezanim antitijelom, je mobilan, a jedan fiksiran. Razbijanje dimera zaustavlja ionsku struju kroz membranu. Veličina promjene električnog signala se značajno povećava odvajanjem membrane od metalne površine pomoću hidrofilnog odstojnika.

Kvantitativna detekcija opsežne klase ciljnih tipova, uključujući proteine, bakterije, lijekove i toksine, demonstrirana je korištenjem različitih konfiguracija membrane i zarobljavanja. Evropski istraživački projekt Greensense razvija biosenzor za izvođenje kvantitativnog skrininga zloupotrebe droga kao što su THC, morfij i kokain  u pljuvački i mokraći.

### Fluorescentni biosenzor bez reagensa
Biosenzor bez reagensa može pratiti ciljni analit u složenoj biološkoj mješavini bez dodatnog reagensa. Stoga može kontinuirano funkcionirati ako je imobiliziran na čvrstom nosaču. Fluorescentni biosenzor reagira na interakciju sa svojim ciljnim analitom, promjenom svojih fluorescentnih svojstava. Fluorescentni biosenzor bez reagensa (RF biosenzor) može se dobiti integracijom biološkog receptora, koji je usmjeren protiv ciljanog analita i solvatohromiranjem fluorofora, čija su svojstva emisije osjetljiva na prirodu njegovog lokalnog okruženja, u jednu makromolekulu. Fluorofor pretvara događaj prepoznavanja u mjerljivi optički signal. Upotreba vanjskih fluorofora, čija se emisijska svojstva uveliko razlikuju od onih unutrašnjih fluorofora proteina, triptofana i tirozina, omogućava da se odmah detektuje i kvantificira analit u složenim biološkim smjesama. Integracija fluorofora mora se obaviti na mjestu gdje je osjetljiv na vezivanje analita bez narušavanja afiniteta receptora.

Antitijela i porodice vještačkih proteina koji vezuju antigen (AgBP) su veoma pogodni za obezbeđivanje modula za prepoznavanje RF biosenzora jer mogu biti usmereni protiv bilo kog antigena (pogledajte paragraf o bioreceptorima). Opisan je opći pristup za integraciju solvatohromnog fluorofora u AgBP kada je poznata atomska struktura kompleksa sa njegovim antigenom i na taj način ga transformisati u RF biosenzor.

Međutim, u nedostatku specifičnih strukturnih podataka, moraju se primijeniti druge strategije. Antitijela i vještačke porodice AgBP-a su sastavljene od skupa hipervarijabilnih (ili randomiziranih) pozicija ostataka, lociranih u jedinstvenom podregiji proteina, i podržanih konstantnom polipeptidnom skelom. Ostaci koji formiraju mjesto vezivanja za dati antigen, biraju se među hipervarijabilnim ostacima. Moguće je transformisati bilo koji AgBP iz ovih familija u RF biosenzor, specifičan za ciljni antigen, jednostavnim spajanjem solvatohromnog fluorofora na jedan od hipervarijabilnih ostataka koji imaju mali ili nikakav značaj za interakciju sa antigenom, nakon promjene ovog ostatka, cisteinskom mutagenezom. Preciznije, strategija se sastoji u individualnoj promjeni ostataka hipervarijabilnih pozicija u cistein na genetskom nivou, u kemijskom spajanju solvatohromnog fluorofora s mutantnim cisteinom, a zatim u zadržavanju rezultirajućih konjugata koji imaju najveću osjetljivost (parametar koji uključuje i afinitet i varijacija fluorescentnog signala).

Aposteriorne studije pokazale su da se najbolji fluorescentni biosenzori bez reagensa dobijaju kada fluorofor ne ostvaruje nekovalentne interakcije sa površinom bioreceptora, što bi povećalo pozadinski signal, i kada je u interakciji sa veznim džepom na površini bioreceptora ciljni antigen. The RF biosensors that are obtained by the above methods, can function and detect target analytes inside living cells.

### Magnetni biosenzori 
Magnetni biosenzori koriste paramagnetne ili supraparamagnetne čestice ili kristale za otkrivanje bioloških interakcija. Primjeri mogu biti induktivnost zavojnice, otpornost ili druga magnetna svojstva. Uobičajeno je koristiti magnetne nano- ili mikročestice. Na površini takvih čestica nalaze se bioreceptori, koji mogu biti DNK (komplementarna sekvenci ili aptameri) antitijela ili druga. Vezivanje bioreceptora će uticati na neka svojstva magnetnih čestica koja se mogu mjeriti AC susceptometrijom, senzorom sa Hallovim efektom, džinovskim uređajem za magnetnu otpornost, ili ostalim mjeračima.

### Ostali
Pijezoelektrični senzori koriste kristale koji prolaze kroz elastičnu deformaciju kada se na njih primijeni električni potencijal. Izmjenični potencijal (AC) proizvodi stajaći talas u kristalu na karakterističnoj frekvenciji. Ova frekvencija u velikoj mjeri ovisi o elastičnim svojstvima kristala, tako da ako je kristal obložen elementom biološkog prepoznavanja, vezivanje (velikog) ciljnog analita za receptor će proizvesti promjenu u rezonantnoj frekvenciji, što daje vezni signal. U načinu rada koji koristi površinske akustične talase (SAW), osjetljivost je znatno povećana. Ovo je specijalizirana primjena mikrovaga kvaščevog kristala kao biosenzora

Elektrohemiluminiscencija (ECL) je danas vodeća tehnika u biosenzorima. Budući da se pobuđujući tipovi proizvode elektrohemijskim stimulusom, a ne izvorom pobuđivanja svjetlosti, ECL prikazuje poboljšani omjer signala i šuma u poređenju sa fotoluminiscencijom, sa minimiziranim efektima zbog raspršivanja svjetlosti i pozadine luminiscencije. Konkretno, koeaktant ECL koji djeluje u puferiranom vodenom rastvoru u području pozitivnih potencijala (oksidativno-redukcioni mehanizam) definitivno je pojačao ECL za imunotestiranje, što potvrđuju mnoge istraživačke aplikacije i, još više, prisustvo važnih kompanija koje su razvile komercijalni hardver za visoko propusne imunoanalize na tržištu vrijednom milijarde dolara svake godine.

Termometrijski biosenzori su rijetki.

## Biosenzor MOSFET (BioFET)
MOSFET (metal-oksid-semikondktorski tranzistor sa efektom polja, ili MOS tranzistor) izumili su Mohamed M. Atalla i Dawon Kahng 1959. godine, a demonstrirali ga 1960. Dvije godine kasnije, Leland C. Clark i Champ Lyons izumili su prvi biosenzor, 1962. Biosenzorski MOSFET-ovi (BioFET-ovi) razvijeni su kasnije i od tada su se široko koristili za mjerenje fizičkih, hemijskih, bioloških i okolinskih parametara.

Prvi BioFET bio je ionski osjetljivi tranzistor sa efektom polja (ISFET), koji je izumio Piet Bergveld za elektrohemijske i biološke primjene 1970. adsorpciju FET (ADFET) je patentirao P.F. Cox 1974. godine, a MOSFET osjetljiv na vodik demonstrirali su I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson i L. Lundkvist 1975. godine. ISFET se široko koristi u biomedicinskim aplikacijama, kao što su detekcija DNK hibridizacija, detekcija biomarkera iz krvi, detekcija antitijela, mjerenje glukoze, senziranje pH i genetička tehnologija. Primjer potonjeg je praćenje laktoze u pogonu za preradu mlijeka. Off-line biosenzori u poređenju sa bioanalitskim tehnikama koji ne rade na terenu, već u laboratoriji. Ove tehnike koriste se uglavnom u poljoprivredi, prehrambenoj tehnologiji i biomedicini.

U medicinskim aplikacijama, biosenzori su općenito kategorisani kao sistemi *in vitro* i *in vivo* . Biosenzorsko mjerenje *in vitro* odvija se u epruveti, posudi za kulturu, mikrotitarskoj ploči ili drugdje izvan živog organizma. Senzor koristi bioreceptor i sondu kao što je gore navedeno. Primjer *in vitro* biosenzora je enzimsko-konduktimetrijski biosenzor za praćenje glukoze u krvi. Izazov je stvoriti biosenzor koji radi po principu testiranje na licu mjesta, tj. na lokaciji gdje je test potreban. Među takvim studijama je razvoj prenosivih biosenzora. Eliminacija laboratorijskog testiranja može uštedjeti vrijeme i novac. Primena POCT biosenzora može biti za testiranje HIV u oblastima gde je pacijentima teško da se testiraju. Biosenzor se može poslati direktno na lokaciju i može se koristiti brz i jednostavan test. 
thumb|Biosenzorski implantat za praćenje glukoze u potkožnom tkivu (59x45x8 mm). Elektronske komponente su hermetički zatvorene u Ti kućištu, dok su antena i senzorska sonda utisnute u epoksidni priključak.

Biosenzor *in vivo* je implantabilni uređaj koji djeluje unutar tijela. Naravno, biosenzorni implantati moraju ispunjavati stroge propise o sterilizaciji kako bi se izbjegao početni upalni odgovor nakon implantacije. Druga zabrinutost odnosi se na dugotrajnu biokompatibilnost, tj. neštetnu interakciju sa tjelesnom okolinom tokom predviđenog perioda upotrebe. Drugo pitanje koje se nameće je neuspjeh. Ako dođe do kvara, uređaj se mora ukloniti i zamijeniti, što uzrokuje dodatnu operaciju. Primjer za primjenu *in vivo* biosenzora bi bio praćenje insulina u tijelu, koje još nije dostupno.

Najnapredniji biosenzorni implantati razvijeni su za kontinuirano praćenje glukoze. Na slici je prikazan uređaj, za koji se koristi Ti-kućište i baterija kako je utvrđeno za kardiovaskularne implantate kao što su pejsmejkeri i defibrilatori.

## Primjena
Postoji mnogo različitih tipova potencijalnih primjena biosenzora. Glavni zahtjevi da bi biosenzorski pristup bio vrijedan u smislu istraživanja i komercijalne primjene su identifikacija ciljnih molekula, dostupnost odgovarajućeg elementa biološkog prepoznavanja i potencijal da se prenosivi sistemi za detekciju za jednokratnu upotrebu preferiraju u odnosu na osjetljive laboratorijske tehnike u nekim situacijama. Neki primjeri su praćenje glukoze kod pacijenata sa dijabetesom, ostali zdravstveni zdravstveni ciljevi, primjene u okolišu, npr. otkrivanje pesticida i zagađivača riječne vode, kao što su ioni teških metala, daljinsko ispitivanje bakterija u zraku, npr. u borbi protiv bioterorističkih aktivnosti, daljinsko ispitivanje kvaliteta vode u priobalnim vodama opisujući online različite aspekte etologije školjki (biološki ritmovi, stope rasta, mrijest ili smrtnost) u grupama napuštenih školjkaša širom svijeta, i otkrivanje toksičnih metabolita kao što su mikotoksini.

Uobičajeni primjer komercijalnog biosenzora je biosenzor glukoze u krvi, koji koristi enzim zvani glukoza-oksidaza da razbije glukozu u krvi. Pri tome prvo oksidira glukozu i koristi dva elektrona da reducira FAD (komponentu enzima) u FADH2. Ovo zauzvrat oksidira elektroda u nekoliko koraka. Rezultirajuća struja je mjera koncentracije glukoze. U ovom slučaju, elektroda je pretvarač, a enzim biološki aktivna komponenta.
Kanarinac u kafezu, kako ga koriste rudari da upozore na plin, mogao bi se smatrati biosenzorom. Mnoge današnje primjene biosenzora su slične po tome što koriste organizme koji reagiraju na toksične supstance u mnogo nižim koncentracijama nego što ljudi mogu otkriti, kako bi upozorili na njihovu prisutnost. Takvi uređaji mogu se koristiti u monitoringu životnog okruženja, trace gas detection and in water treatment facilities.

## Tipovi 
### Optički biosenzori 
Mnogi optički biosenzori zasnovani su na fenomenu površinske plazmonske rezonance (SPR). Ovo koristi svojstvo i druge materijale; posebno da tanak sloj zlata na staklenoj površini s visokim indeksom prelamanja može apsorbirati lasersko svjetlo, proizvodeći elektronske talase (površinske plazmone) na površini zlata. Ovo se dešava samo pod određenim uglom i talasnom dužinom upadne svetlosti i u velikoj meri ovisi o površini 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 se reagensi mogu proći u rastvoru. Ova strana staklenog senzorskog čipa može se modificirati na više načina, kako bi se omogućilo lahko pričvršćivanje molekula od interesa. Obično je obložen karboksimetil dekstranom ili sličnim spojem.

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 i na taj način se biološke interakcije mogu mjeriti do visokog stepena osetljivosti sa nekom vrstom energije. Indeks prelamanja medija u blizini površine mijenja se kada se biomolekule vežu za površinu, a ugao SPR varira kao funkcija ove promjene.

Svjetlost fiksne talasne dužine odbija se od zlatne strane čipa pod uglom ukupne unutrašnje refleksije i detektuje unutar instrumenta. Ugao upadne svjetlosti se mijenja 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 tekućinu koja teče preko površine.

Ostali optički biosenzori se uglavnom zasnivaju na promjenama u apsorpciji ili fluorescenciji odgovarajućeg indikatorskog spoja i ne trebaju potpunu unutrašnju geometriju refleksije. Naprimjer, napravljen je potpuno operativni prototip uređaja za detekciju kazeina u mlijeku. Uređaj se zasniva na otkrivanju promjena u apsorpciji zlatnog sloja. Široko korišten istraživački alat, mikročip, također se može smatrati biosenzorom.

### Biološki biosenzori 
Biološki biosenzori često uključuju genetički modificirani oblik prirodnog proteina ili enzima. Protein je konfiguriran da detektira određeni analit, a signal koji je uslijedio očitava se instrumentom za detekciju kao što je fluorometar ili luminometar. Primjer 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. 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 otkrića lijekova. Većina cAMP testova u sadašnjoj upotrebi zahtevaju lizu ćelija prije merenja cAMP-a. Biosenzor živih ćelija za cAMP može se koristiti u neliziranim ćelijama uz dodatnu prednost višestrukog čitanja za proučavanje kinetike odgovora receptora.

Nanobiosenzori koriste imobiliziranu bioreceptorsku sondu koja je selektivna za ciljne molekule analita. Nanomaterijali su izuzetno osjetljivi hemijski i biološki senzori. Materijali nanorazmjera pokazuju jedinstvena svojstva. Njihov veliki omjer površine i volumena može postići brze i jeftine reakcije, koristeći različite dizajne.

### DNK biosenzori
DNK može biti analit biosenzora, detektiran na posebne načine, ali se može koristiti i kao dio biosenzora ili, teorijski, čak i kao cijeli biosenzor. Postoje mnoge tehnike za otkrivanje DNK, što je obično sredstvo za otkrivanje organizama koji imaju tu određenu DNK. Također se mogu koristiti DNK sekvence, kao što je gore opisano. Ali postoje pristupi koji su okrenuti budućnosti, gdje se DNK može sintetizirati da zadrži enzime u biološkom, stabilnom gelu. Ostale primjene su dizajn aptamera, sekvenci DNK koje imaju specifičan oblik da vežu željenu molekulu. 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 zraka, "eDNK u zraku".

*Nanoantene* napravljene od DNK – novi tip nano-razmjera optičkih antena mogu se pričvrstiti na proteine i proizvoditi signal putem fluorescencije kada obavljaju svoje biološke funkcije, posebno za različite konformacijske promjene.

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

## Također pogledajte
* Bioaktivni papir
* Bioelektronika
* Biointerface
* Biomarker
* DNK tranzistor sa efektom polja
* Dual-polarization interferometrija
* Elektro-preklopne biopovršine
* Elektrohemiluminiscencija
* Impedansna mikrobiologija
* Lantanidne sonde
* Mikrofiziometrija
* Multiparametarska površinska plazmonska rezonanca
* Nanobiotehnologija
* Plasmon
* Senzori malih molekula
* Površinska plazmonska rezonanca
* Bio-FET
* Nanopore

## Reference
## Dopunska literatura
* 
* 

## Vanjski linkovi
*Scratching at the surface of biosensors – an Instant Insight discussing how surface chemistry lets porous silicon biosensors fulfil their promise from the Royal Society of Chemistry