Biocapteurs: types et caractéristiques générales des biocapteurs

Biocapteurs: types et caractéristiques générales des biocapteurs!

Un biocapteur est un dispositif d'analyse qui utilise un matériau biologique pour interagir spécifiquement avec un analyte.

Produisant des changements physiques détectables qui sont mesurés et convertis en un signal électrique par un transducteur. Le signal électrique est finalement amplifié, interprété et affiché en tant que concentration en analyte dans la solution / préparation. Un analyte est un composé dont la concentration doit être déterminée. Les matières biologiques sont généralement des enzymes, mais des acides nucléiques, des anticorps, des lectines, des cellules entières, des organes entiers ou des tranches de tissu sont également utilisés (tableau 12.4).

La nature de l'interaction entre l'analyte et le matériel biologique utilisé dans le biocapteur est de deux types:

(a) L'analyte peut être converti en une nouvelle molécule chimique par des enzymes. ces biocapteurs sont appelés biocapteurs catalytiques, et

(b) L'analyte peut simplement se lier au matériel biologique présent sur le biocapteur (par exemple, à des anticorps, un acide nucléique); ces biocapteurs sont appelés capteurs d'affinité.

Un biocapteur réussi doit présenter au moins certaines des caractéristiques suivantes: (a) Il doit être très spécifique pour l'analyte.

(b) La réaction utilisée doit être indépendante des facteurs gérables tels que le pH, la température, l'agitation, etc.

(c) La réponse devrait être linéaire sur une plage utile de concentrations d'analyte.

(d) Le dispositif doit être minuscule et biocompatible, au cas où il serait utilisé pour des analyses dans le corps.

e) L’appareil doit être bon marché, petit, facile à utiliser et pouvoir être utilisé plusieurs fois.

Caractéristiques générales du biocapteur:

Un biocapteur a deux types de composants distincts:

(a) biologique, par exemple, enzyme, anticorps et

(b) physique, par exemple, transducteur, amplificateur, etc.

Le composant biologique du biocapteur remplit deux fonctions importantes.

(a) Il reconnaît spécifiquement l'analyte et

(b) Il interagit avec lui de manière à produire un changement physique détectable par le transducteur.

Ces propriétés du composant biologique confèrent au biocapteur sa spécificité, sa sensibilité et sa capacité à détecter et à mesurer l'analyte. Le composant biologique est immobilisé de manière appropriée sur le transducteur. En règle générale, une immobilisation correcte des enzymes améliore leur stabilité. En conséquence, de nombreux systèmes immobilisés avec une enzyme peuvent être utilisés plus de 10 000 fois sur une période de plusieurs mois.

Le composant biologique interagit spécifiquement avec l'analyte, ce qui produit un changement physique proche de la surface du transducteur. Ce changement physique peut être:

1. Chaleur libérée ou absorbée par la réaction (biocapteurs calorimétriques)

2. Production d’un potentiel électrique due à une modification de la distribution des électrons (biocapteurs potentiométriques).

3. Mouvement des électrons dû à une réaction d'oxydoréduction (biocapteurs ampérométriques).

4. La lumière produite ou absorbée au cours de la réaction (biocapteurs optiques).

5. Changement de masse du composant biologique à la suite de la réaction (biocapteurs à ondes acoustiques).

Le transducteur détecte et mesure ce changement et le convertit en un signal électrique. Ce signal étant très faible, il est amplifié par un amplificateur avant son introduction dans le microprocesseur. Le signal est ensuite traité et interprété et affiché dans des unités appropriées.

Ainsi, les biocapteurs convertissent un flux d'informations chimiques en un flux d'informations électriques, ce qui implique les étapes suivantes:

(a) L'analyte diffuse de la solution à la surface du biocapteur.

(b) L'analyte réagit spécifiquement et efficacement avec le composant biologique ”du biocapteur.

(c) Cette réaction modifie les propriétés physico-chimiques de la surface du transducteur.

(d) Ceci entraîne une modification des propriétés optiques ou électroniques de la surface du transducteur.

(e) La modification des propriétés optiques / électroniques est mesurée, convertie en un signal électrique qui est amplifié, traité et affiché.

Types de biocapteurs:

Les biocapteurs sont de 5 types:

1. Biocapteurs Calorimétriques:

De nombreuses réactions catalysées par des enzymes sont exothermiques. Les biocapteurs calorimétriques mesurent le changement de température de la solution contenant l'analyte à la suite de l'action de l'enzyme et l'interprètent en termes de concentration en analyte dans la solution. La solution d'analyte est passée à travers une petite colonne à lit garni contenant une enzyme immobilisée; la température de la solution est déterminée juste avant l'entrée de la solution dans la colonne et au moment où elle sort de la colonne à l'aide de thermistances séparées.

C'est le type de biocapteur le plus généralement applicable, et il peut être utilisé pour les solutions troubles et fortement colorées. Le principal inconvénient est de maintenir la température du flux d’échantillons, par exemple ± 0, 01 ° C. La sensibilité et la portée de ces biocapteurs sont assez faibles pour la plupart des applications. La sensibilité peut être augmentée en utilisant deux ou plusieurs enzymes de la voie dans le biocapteur afin de lier plusieurs réactions afin d’augmenter la production de chaleur. En variante, des enzymes multifonctionnelles peuvent être utilisées. Un exemple est l'utilisation de la glucose oxydase pour la détermination du glucose.

2. Biocapteurs Potentiométriques:

Ces biocapteurs utilisent des électrodes sélectives en ions pour convertir la réaction biologique en signal électronique. Les électrodes utilisées sont le plus souvent des électrodes en verre pH-mètre (pour les cations), des électrodes en verre pour pH revêtues d'une membrane sélective pour les gaz (pour le CO ₂, NH ou H ₂ S) ou des électrodes à l'état solide. De nombreuses réactions génèrent ou utilisent H ⁺ qui est détecté et mesuré par le biocapteur; dans de tels cas, des solutions tamponnées très faibles sont utilisées. Les électrodes de détection de gaz détectent et mesurent la quantité de gaz produite. Un exemple de telles électrodes est basé sur l'uréase qui catalyse les réactions suivantes:

CO (NH ₂ ) ₂ + 2H ₂ O + H ⁺ → 2NH ₄ ⁺ + HCO ^- ₃

Cette réaction peut être mesurée par une électrode sensible au pH, aux ions ammonium, au NH ₃ ou au CO ₂ . Les biocapteurs peuvent maintenant être préparés en plaçant des membranes revêtues d’enzyme sur les grilles de sélection des ions des transistors à effet filtré sélectif des ions; ces biocapteurs sont extrêmement petits.

3. Biocapteurs à ondes acoustiques:

Celles-ci sont également appelées dispositifs piézoélectriques. Leur surface est généralement recouverte d'anticorps qui se lient à l'antigène complémentaire présent dans la solution échantillon. Cela conduit à une masse accrue qui réduit leur fréquence de vibration; Ce changement est utilisé pour déterminer la quantité d'antigène présent dans la solution échantillon.

4. Biocapteurs ampérométriques:

Ces électrodes fonctionnent par la production d'un courant lorsque le potentiel est appliqué entre deux électrodes, l'intensité du courant étant proportionnelle à la concentration en substrat. Les biocapteurs ampérométriques les plus simples utilisent l'électrode à oxygène Clark qui détermine la réduction de l'O ₂ présent dans la solution de l'échantillon (analyte). Ce sont les biocapteurs de première génération. Ces biocapteurs sont utilisés pour mesurer les réactions redox, un exemple typique étant la détermination du glucose à l'aide de la glucose oxydase.

Un problème majeur de ces biocapteurs est leur dépendance à la concentration en ₀₂ dissous dans la solution d'analyte. Cela peut être surmonté en utilisant des médiateurs; ces molécules transfèrent les électrons générés par la réaction directement à l'électrode plutôt que de réduire l'oxygène dissous dans la solution d'analyte. Celles-ci sont également appelées biocapteurs de deuxième génération. Cependant, les électrodes actuelles retirent les électrons directement des enzymes réduites sans l'aide de médiateurs et sont recouvertes de sels organiques électriquement conducteurs.

5. Biocapteurs optiques:

Ces biocapteurs mesurent à la fois les réactions catalytiques et les réactions d’affinité. Ils mesurent une variation de la fluorescence ou de l'absorbance causée par les produits générés par les réactions catalytiques. Alternativement, ils mesurent les changements induits dans les propriétés optiques intrinsèques de la surface du biocapteur en raison de la charge de molécules diélectriques telles que les protéines (en cas de réactions d’affinité). Un biocapteur très prometteur impliquant la luminescence utilise l’enzyme luciférase de luciole pour la détection de bactéries dans des échantillons alimentaires ou cliniques. Les bactéries sont spécifiquement lysées pour libérer de l'ATP, qui est utilisé par la luciférase en présence de ₀₂ pour produire de la lumière qui est mesurée par le biocapteur.