biosensor

Essentielle elementer i en biosensor. Analytten er det stof, der ønskes detekteret. Receptorerne er fastgjort på et substrat og kan "indfange" helt specifikke elementer, som udgør analytten. I transuceren omsættes effekten af de bundne elementer til et fysisk signal. Dette signal filtreres og en algoritme uddrager den ønskede information som overføres til et display eller en lagringsenhed.

Strukturen i en biosensor

Af Lars Lading.

Licens: CC BY SA 3.0

En biosensor er et analytisk element hvor en specifik biokemisk reaktion medfører en ændring af en fysisk størrelse, som igen genererer et (typisk) elektrisk signal.

Faktaboks

Etymologi: Biosensor kommer fra engelsk og er sammensat af bio, hvor bios på græsk betyder liv, og sensor, hvor sentire på latin betyder at føle.

Formålet med en biosensor er at opnå en hurtig registrering med et kompakt instrument, der kan anvendes hvor prøven frembringes.

Biosensorer anvendes i en række discipliner men især i sundhed og medicin samt miljø og fødevarekontrol.

En biosensor kan opdeles i fem essentielle elementer:

Analyt: et stof der ønskes detekteret fx glukose.
En bioreceptor til en selektiv biokemisk proces.
Et substrat hvorpå den biokemiske proces medfører en fysisk ændring..
En transducer, som omsætter den fysiske ændring til et målbart signal
En processeringsenhed, der filtrerer/processerer transducer output til brugbar data og display.

En biosensor er ofte såkaldt label-free, hvilket betyder den er baseret på en teknologi, hvor et såkaldt reporter element ikke er nødvendigt. Dette simplificerer processen, gør den hurtigere og ofte også mere robust. Desuden kan der være analytter, hvor det er vanskeligt at vedhæfte et reporter element.

En biosensor kan karakteriseres ud fra følgende størrelser:

Selektivitet, hvor stor indflydelse har andre stoffer end den analyt, der ønskes bestemt.
Følsomhed, hvor lave koncentrationer af analytten kan bestemmes.
Stabilitet og reproducerbarhed, hvor lidt ændrer følsomhed og selektivitet sig med ændringer i miljøet fx temperatur og pH.
Linearitet, er den målte ændring i koncentration af analytten uafhængig af middelkoncentrationen. Bemærk, at i nogle tilfælde ønskes en ulineær respons, fx en logaritmisk respons.

den biokemiske proces

Analytten er det stof, som ønskes detekteret. En række processer kan anvendes til den kemiske reaktion hvor analytten bindes til receptoren. Adskillige kemiske processor er demonstreret og flere indgår i kommercielle apparater. Anvendelserne er mangfoldige. Det kan være glukose i blodet, diagnosticering af kræft, blodforgiftning (sepsis), mikrober (medicin og fødevarer), mm.

antibody/antigen interaktion

Her er receptoren konstrueret til at frembringe en specifik bindingsaffinitet til et antigen, som ønskes registreret. Det er analogt med lås og nøgle tilpasning. Receptoren kan ”fange” proteiner, patogener, eller små specifikke molekyler. Den fysiske ændring i transduceren kan være optisk, elektrisk eller mekanisk.

enzymer

Enzymer katalyserer specifikke biokemiske reaktioner med analytten, som ønskes detekteret. Anvendelsen er især til glukose detektering (fx via oxidase). Der kan opnås stor specificitet og hurtig respons. Transduceren kan være elektrisk eller optisk.

DNA/RNA

Her anvendes komplementære basepar til detektering af DNA/RNA-sekvenser. Anvendes generelt til detektering af sygdomsfremkaldende mikroorganismer. Transduceren kan være elektrisk eller optisk.

celler og mikroorganismer

Hele celler kan fremstilles således, at de har en specifik følsomhed overfor bestemte analytter. Potentielle anvendelsen er i jordbrugsproduktion og i biomedicin.

kunstigt trykt molekylær struktur

Syntetiske polymerer kan trykkes på et passende substrat. Herved kan der opnås et selektivt grundlag for molekylære bindinger. Man kan efterligne naturligt forekommende receptorer. De kunstige kan være billigere og mere robuste.

transduceren

Den kemiske reaktion kan medføre ændringer i en række fysiske egenskaber, som kan omsættes til et elektrisk signal.

elektrokemisk proces

FET biosensor. En FET er en *Field Effect Transistor* hvor strømmen mellem *source* og *drain* kan styres af en *gate-*spænding. Karakteristikken for transistoren kan påvirkes af substanser på kanalen mellem *source* og *drain*. Dette gør, at komponenten kan udformes som en såkaldt *label free* biosensor.

FET biosensor

Af Lars Lading.

Licens: CC BY SA 3.0

En elektrokemisk proces kan medføre en elektrisk strøm eller en elektrisk spænding. En fieldeffekt transistor (FET) kan registrere en ophobning af elektroner, hvilket giver et elektrisk spændingspotentiale. En FET er særlig velegnet, da den har en ekstrem høj indgangsimpedans. Desuden kan en FET give en logaritmisk respons, hvilket kan være ønskeligt, for at opnå et stort dynamisk område. Dette opnås ved at anvende FETen i en såkaldt spændingsmode. En lineær respons kan opnås i strømmode. En operationsforstærker kan bruges til omformningen af en svag elektrisk strøm til et elektrisk signal for videre behandling.

optisk detektering

Princippet i en SPR biosensor: Analytten er opslæmmet i en væske, som strømmer i en kanal. I et stykke af kanalen er der et lag med receptorer for analytten. Under receptorerne findes et meget tyndt metallag (typisk sølv eller guld). I dette lag kan der induceres plasmoner. Dette sker kun for en bestemt plasmonbølgelængde. Denne bølgelængde kan modsvares af en optisk bølgelængde på overfladen, der kan fremkomme af en indkomne lysbølge (vist ved markerede bølgefronter), hvor overfadebølgelængden kan justeres via indfaldsvinklen θ. Ved resonans falder intensiteten af det reflekterede lys betydeligt. Resonansen er stærkt afhængig af brydningsforholdet for materialet ovenpå metalfilmen. Dette brydningsforhold ændres når molekyler fra anlytten fanges af receptormolekyler. Ændringen i vinklen for dykket registreres via en optisk sensor. Det registrerede minimum som funktion af tiden kan benyttes til koncentrationsbestemmelse af anlytten.

Det første kommercielle apparat baseret på dette princip blev lanceret af det svenske firma *Biacore* (nu *Cytivai*) i 1990. Firmaet leverer også en lang række af ingredienser til receptorer med anvendelser i medicin og fødevarer.

SPR biosensor

Af Lars Lading.

Licens: CC BY SA 3.0

Optik er velegnet til at detektere materiale ændringer og især for ændringer fremkaldt af biokemiske reaktioner. Optiske detekteringsmetoder kan kort opdeles som følger:

Simpel absorption eventuelt registreret som funktion af bølgelængden.
Fluorescens eller fosforescens.
Brydningsforholdsændringer, der kan detekteres interferometrisk, som en ændring i vinklen for totalrefleksion eller kobling via såkaldte evanescent (nærfelt) kobling. En meget effektiv metode er baseret på kobling med såkaldte overflade plasmoner. Metoden betegens som Surface Plasmon Resonance (SPR).
Overfladeforstærket Raman-spredning (Surface-enhanced Raman Scattering, SERS): Raman spektroskopi er en veletableret spektroskopisk metode til undersøgelse af molekylstrukturer. Imidlertid er intensiteten af det spredte lys meget svag i forhold til det indkomne lys, hvilket begrænser metoden noget. Imidlertid har det vist sig, at der kan opnås en endog meget stor forøgelse af det Raman-spredte lys ved at undersøge molekyler, der er adsorberet på en ru metaloverflade. Dette har dannet grundlag for flere eksperimentelle verifikationer af metoden og anvendelser i biosensorer.

mekanisk resonans

Et piezoelektrisk krystal anvendes ofte som en meget præcis resonator. Udsættes et sådan svingende krystal for en lille masseændring på overfladen vil resonansfrekvensen ændres. Denne ændring kan registreres elektronisk. Masseændringen kan fremkomme som følge af en biokemisk reaktion.

magnetisk vekselvirkning

Magnetiske felter har generelt en meget mindre effekt på biologiske objekter end elektriske felter. Dette kan udnyttes til at opnå stor følsomhed og lille interferens. Teknologien er baseret på immobiliserede magnetiske partikler og en effekt der minder om den effekt, som udnyttes i computer diske.

termisk

En eksotermisk kemisk reaktion medfører en varmeudvikling. Adskillige reaktioner, der er relevante for biosensorer er eksotermiske, dvs. hvis processen foregår i et miljø med begrænset termisk ledningsevne kan processen registreres via en temperaturforøgelse ( kalorimetri ).

filtrering og ekstrahering

Filtrering af signaler og uddragning af den ønskede koncentrations-information afhænger stærkt af typen af transducer. Dog skal signalet altid filtreres for uønsket støj . Støjen kan være elektronisk termisk støj, støj som følge af interferens fra elektromagnetisk stråling eller kvantiseringsstøj i digitale kredsløb. En estimeringsalgoritme anvendes til at frembringe den ønskede information.

historie

Den Historiske udvikling af biosensorer kan dateres til 1906 hvor Max Cremer demonstrerede, at koncentrationen af en syre i en væske er proportional med det elektriske potentiale, der fremkommer mellem væsker på hver side af en glasmembran. Imidlertid var det først med introduktionen af pH skalaen af danskeren Søren Peder Lauritz Sørensen i 1909 og noget senere realiseringen af en brugbar pH elektrode samt Griffin og Nelsons demonstration af immobilisering af et enzym, som skabte grundlaget for den nødvendige selektive proces.

Den første egentlige biosensor blev udviklet af Leland C. Clark, Jr i 1956 til detektering af oxygen. Han betragtes som den egentlig ”grundlægger ” af biosensorer. De fleste nuværende teknologier er udviklet væsentligt senere.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

Fagansvarlig for Måleteknik og industriel elektronik

Lars Lading

Adjungeret professor, direktør, Danmarks Tekniske Universitet