חישה ביולוגית אלקטרוכימית

חיישנים ביולוגיים אלקטרוכימיים מנצלים את תכונות החמצון החיזור הטבעיות של תהליכים ביולוגיים רבים, כגון קטליזה של אנזימים ואירועי קישור אחרים. חיישנים אלקטרוכימיים משתמשים באלקטרודות שלעתים קרובות מתפקדות עם אנזימים פעילים של חמצון חיזור. כאשר מולקולת המטרה מעורבת בתגובה עם האנזים, נמדד הרווח או האובדן של האלקטרונים וקשור לריכוז. בסרטון זה, נסקור את עקרונות החישה האלקטרוכימית ואז נתאר את היסודות של חיישן אלקטרוכימי לדוגמה, החיישן הביולוגי של הגלוקוז בדם.

ראשית, בואו נתעמק במושגים הכלליים מאחורי חיישן ביולוגי אלקטרוכימי. כמו תאים אלקטרוכימיים קלאסיים, חיישנים אלה מורכבים בדרך כלל משלוש אלקטרודות: האלקטרודה העובדת, אלקטרודת הנגד ואלקטרודת הייחוס. התגובה מתרחשת באלקטרודה העובדת, ואילו האלקטרודה הנגדית משלימה את המעגל. אלקטרודת הייחוס מספקת נקודת ייחוס יציבה לפוטנציאל החיזור. חומרי האלקטרודה נבחרים על סמך סוג החיישן, האנליט שיש לזהות וטכניקת המדידה בה נעשה שימוש. על מנת להגדיל את הספציפיות של מולקולת המטרה, אלמנט הזיהוי הביולוגי, כגון אנזימים משלימים, נוגדנים או DNA חד-גדילי, משותק על פני האלקטרודות ומשמש ללכידת מולקולת המטרה המתאימה. לאחר מכן מופעל אות חשמלי, מה שמביא להפחתה או חמצון של המטרה. זה יוצר עודף או גירעון של אלקטרונים, שמתגלה. כעת, אם נשתמש בתא הקלאסי של שלוש האלקטרודות כדוגמה, בואו נסתכל על האופן שבו חיישנים אלקטרוכימיים מודדים את אירוע החמצון הזה.

מערכות אלקטרוכימיות מחולקות לקטגוריות שונות:?אמפרומטריה, פוטנציומטרית ואיממדימטרית על סמך סוג אות הפלט הנמדד. מכשירים אמפרומטריים מודדים את השינוי בזרמים בין האלקטרודות העובדות והנגדיות כאשר המתח ידוע. כניסת המתח מוחזקת בערך קבוע או כרמפה ליניארית או מחזורית ברציפות בין שני ערכים. שינוי זרם החמצון או ההפחתה הנמדד עומד ביחס ישר לריכוז האנליט. למידע נוסף על טכניקה זו אנא עיין בסרטון הוולטמטריה המחזורית שלנו.

מכשירים פוטנציומטריים מודדים את השינוי במתח בין אלקטרודת העבודה לייחוס בזרם קבוע. לאחר מכן ניתן לחשב את ריכוז התמיסה באמצעות השינוי בפוטנציאל.

לבסוף, התקנים אימפדימטריים מודדים את השינוי במוליכות החשמלית של תמיסת האנליט. על ידי מדידת השינוי בזרם בין האלקטרודות העובדות למונה לאורך זמן בתדר מתח קלט A/C ידוע. מזרם זה במתח מחושבת העכבה של תמיסת האנליט. עכבה זו פוחתת כאשר המוליכות החשמלית של תמיסת האנליט עולה ועולה כאשר המוליכות החשמלית של תמיסת האנליט יורדת.

לאחר שסקרנו את העקרונות ואת הסוגים השונים של חישה אלקטרוכימית, הבה נסתכל כעת על פעולתו של חיישן ביולוגי אלקטרוכימי, חיישן הגלוקוז בדם כף היד כדוגמה. הבדיקה הביתית הנוכחית של רמות הסוכר בדם מבוצעת באמצעות אלקטרודות המודפסות על גבי רצועות חד פעמיות. רצועות אלקטרודות אלה, או מעגלים, מצופים לאחר מכן בשכבת האנזים והמתווך, שכבת פתילת נוזלים וסרט מגן מעגל המוחזקים כולם יחד על ידי יריעות דבק דקות ומרווחים. שכבת פתילת הנוזל של הרצועה מסייעת להפרדת תאי הדם כך שרק סרום הדם יגיע לאלקטרודות המכוסות באנזים ובמתווך. לבסוף, מופעל מתח בין האלקטרודות, המפעיל את תגובת החמצון החיזור של מתווך אנזים הגלוקוז על שכבת האנזים המתווך-המשותק.? גלוקוז בסרום הדם מומר לחומצה גלוקונית תוך הפחתת האנזים גלוקוז אוקסידאז. האנזים המופחת חוזר למצבו המחומצן על ידי איבוד האלקטרונים למולקולת המתווך, ובכך מפחית את המתווך. כעת המתווך המופחת הזה פועל כמעבורת לאלקטרונים בין שכבת האנזים המתווך לשכבת האלקטרודה שמתחתיה;? הוא מאבד את האלקטרונים על פני האלקטרודות ומתחמצן, ומייצר זרם באלקטרודה. עליית זרם זו, הנמדדת בפוטנציאל נתון, עומדת ביחס ישר לריכוז הגלוקוז בדגימה.

לאחר שסקרנו את האלקטרוכימיה של גלוקוז אוקסידאז, בואו נסתכל במהירות על חיישן הסוכר המשמש למטופל. הדם לבדיקה זו נאסף באמצעות רומח בטיחות. לאחר מכן, הדם שנאסף נצפה בזהירות על אזור איסוף הדם של הרצועה החד פעמית לבדיקה מדויקת. מד הסוכר סופר את האלקטרונים שהופקדו על ידי המתווך באלקטרודות כזרם ואז מחשב כמה גלוקוז נדרש כדי לייצר כל כך הרבה חשמל. לאחר מכן, מד הסוכר מציג את המספר הזה על המסך שלו.

כעת, לאחר שכיסינו את העקרונות וההליך מאחורי חיישני גלוקוז בדם, בואו נראה כיצד חוקרים מיישמים ביו-חישה אלקטרוכימית בתחומים אחרים. חישה אלקטרוכימית יכולה לשמש גם לאיתור סרטן. במערכת חיישנים אחת, נוגדנים ספציפיים לחלבון סרטני משותקים על פני השטח של חרוזים מגנטיים, המודגרים בתמיסת הדגימה, ואחריהם תמיסת נוגדנים שנייה לגלאי חיזור פעיל שגם היא משלימה את המטרה. לאחר מכן החרוזים נלכדים באמצעות שדות מגנטיים על משטח אלקטרודה, ומבוצעות מדידות אמפרומטריות כדי לזהות את ריכוז החלבון הסרטני בדגימה.

לבסוף, אלקטרוכימיה משמשת גם עם מיקרואורגניזמים לייצור חשמל, המכונה תאי דלק ביו-אלקטרוכימיים. המיקרואורגניזמים מתורבתים ליצירת סרט על פני האנודה או הקתודה של תא הדלק. החלבונים הפעילים של חמצון החיזור בחיידקים משתתפים בתגובות חמצון החיזור של האלקטרודות, המייצרות אלקטרונים ומייצרות כוח הרתום ליישומים אחרים.

זה עתה צפיתם בסרטון של ג'וב על חישה ביולוגית אלקטרוכימית. סרטון זה הכיל סקירה בסיסית של עקרונות המפתח של חיישנים ביולוגיים אלקטרוכימיים והסביר בפירוט את תפקודו של חיישן הגלוקוז בדם. לבסוף, הדגמנו כמה יישומים בעולם האמיתי של חישה ביולוגית אלקטרוכימית. תודה שצפית.