Biosenzori Microbieni

Există două clase de biosenzori microbieni ce folosesc acelaşi principiu: măsurarea activităţii metabolismului în prezenţa analitului.

Prima clasă utilizează microorganime imobilizate de la care se măsoară produşii rezultaţi din metabolism. Această clasă a devenit comun definită ca biosenzori microbieni.

A doua clasă măsoară activitatea electrică a metabolismului microorganismelor atunci cînd consumă un „biocombustibil”, de exemplu glucoza. Această clasă este cunoscută sub denumirea generică de celule bioelectrochimice sau celule de biocombustie. Fiind dezvoltată ca un domeniu separat al celulelor electrochimice generatoare de energie electrică, pe baza consumului de biocombustibili, s-a neglijat aspectul capacităţii acestora de a fi adevărăţi biosenzori. S-a pus în evidenţă performanţele şi capacităţile lor din punct de vedere al cerinţelor de a fi biosenzori.

Biosenzorii microbieni conţin microorganisme imobilizate şi un lanţ de transducţie mult mai diversificat (figura 5.1). În general sunt utilizaţi pentru un singur proces biochimic.

Senzorii microbieni prezintă urmatoarele avantaje:

• Sensibilitate mai mică la inhibare sau impurificarea analitului;

• Au o toleranţă mai mare în ceea ce priveşte valoarea pH-ului şi a temperaturii;

• Au un timp de viaţă mai lung decît electrozii enzimatici;

• Sunt mai ieftini faţă de electrozii enzimatici;

• Variabilitate mare pentru că se adaptează uşor la condiţii specifice de mediu;

• Independenţă la cofactori;

• Răspuns fiziologic la produşii toxici;

• Preparare uşoară deoarece cultivarea microorganismelor este simplă;

Dezavantajele acestor dispozitive sunt următoarele:

• Au un timp de răspuns mai mare decît electrozii enzimatici;

• Reutilizarea lor într-o nouă măsuratoare necesită un timp mai mare;

În principiu schema unui senzor microbian este identică cu cea a unui biosenzor enzimatic. Schema constă în imobilizarea celulelor intacte în contact intim cu un traductor specific care converteşte produşii sau efectele metabolismului într-un semnal biochimic (figura 5.1). Senzorii microbieni şi-au găsit o serie de aplicaţii industriale în procesele biochimice şi microbiologice în domenii precum producerea medicamentelor, industria alimentară, tratamentul apelor reziduale şi producerea de energie.unde reacţiile de fermentaţie şi transfer de electroni au un rol important. În domeniul laboratoarelor clinice –microbiologie, parazitologie-unde intensiv se utilizează medii de cultură senzorii microbieni prezintă un potenţial important pentru implementare. Cele mai multe materiale din mediile de cultură nu pot fi determinate prin metode spectrofotometrice fiind optic inactive sau netransparente. O combinaţie mediu de cultură-substraturi de imobilizare cu o cuplare adecvată spre un traductor ca în figura 5.1 este fezabilă cu avantaje asupra reducerii timpilor de investigare şi răspuns la un diganostic specific. Monitorizarea continuă, rapidă, sensibilă şi controlul factorilor variabili deja menţionaţi permit evaluarea substraturilor şi produşilor de metabolizare, a numărului de celule viabile prezente în culturi, a tipurilor de microorganisme.

1. Principiu de funcţionare

1.1 Biosenzori microbieni electrochimici

Biosenzorii microbieni conţin microorganisme imobilizate într-o membrană şi un

dispozitiv electrochimic. Clasificarea lor se realizează după tipul activităţii respiratorii măsurate sau după tipul activităţii electrochimice, metabolice, optice etc. În cazul modificării activităţii respiratorii a microorganismelor, imobilizate într-un substrat, aceasta este detectată de un electrod de oxigen (fig.5.2 a). Prin măsurarea activităţi respratorii sau a consumului de oxigen se estimează concentraţia substratului. În cazul măsurărilor de produşi de metabolizare se folosesc alte metode electrochimice (figura 5.2.b). Senzorul microbian electrochimic prezintă importante diferenţe faţă de senzorul enzimatic. El este alcătuit din componente vii ce produce un răspuns fiziologic, în timp ce senzorul enzimatic include alterarea analitului. Microorganismele utilizate în acest caz sunt aerobe. Senzorul se introduce într-o soluţie tampon saturată cu oxigen. După adiţia la substrat, activitatea respiratorie a microorganismelor creşte, producînd scăderea concentraţiei oxigenului în apropierea membranei. Folosind electodul de oxigen, concentraţia substratului poate fi măsurată prin detectarea scăderii concentraţiei oxigenului.