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 s 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.A. Hierlemann, O. Brand, C. Hagleitner, H. Baltes, "Microfabrication techniques for chemical/biosensors", Proceedings of the IEEE 91 (6), 2003, 839–863.A. Hierlemann, H. Baltes, "CMOS-based chemical microsensors", The Analyst 128 (1), 2003, pp. 15–28. 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 thumb|Biosenzori koji se koriste za skrining biblioteka rekombinatnih DNK
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. Glavni razlozi uobičajene upotrebe enzima u biosenzorima su: sposobnost katalize velikog broja reakcija, potencijal za detekciju grupe analita (supstrati, proizvodi, inhibitori i modulatori katalitske aktivnosti) i pogodnost sa nekoliko različitih transdukcijskih metoda za detekciju analita. Važno je napomenuti da se enzimi ne troše u reakcijama, a biosenzor se lahko može koristiti kontinuirano. Katalitska aktivnost enzima također omogućava niže granice detekcije u poređenju sa uobičajenim tehnikama vezivanja. Međutim, životni vijek senzora je ograničen stabilnošću enzima.
Afinitetni vezujući receptori Antitijela imaju visoku konstantu vezivanja veću od 10^8 L/mol, što predstavlja gotovo nepovratnu povezanost nakon formiranja para antigen-antitijelo. Za određene molekule analita kao što je glukoza afinitetno vezujući proteini postoje koji vezuju svoj ligand sa visokom specifičnosti poput antitijela, ali s mnogo manjom konstantom vezivanja reda veličine 10^2 do 10 ^4 L/mol. Veza između analita i receptora je tada reverzibilne prirode i pored para između oba se javljaju i njihove slobodne molekule u mjerljivoj koncentraciji. U slučaju glukoze, naprimjer, konkanavalin A može funkcionirati kao receptor afiniteta koji pokazuje konstantu vezivanja od 4x10^2 L/mol. 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 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