Biosenzori electrochimici și importanța lor în aplicațiile biomedicale

Abstract

Electrochimia deţine, comparativ cu alte sisteme de masurare, proprietati superioare datorita caracteristicilor si aplicatiilor rapide si simple. Pentru toate aceste motive, senzorii electrochimici joaca un rol important in multe sectoare stiintifice.

Senzorii electrochimici planari prezinta mai multe avantaje cu privire la dispozitivele tridimensionale, dar aceasta tehnologie necesita utilizarea unor substanţe chimice de specialitate, pentru a putea indeplinii noi cerinţe funcţionale ale miniaturizarii.

CAPITOLUL 1. BIOSENZORI ELECTROCHIMICI

Un biosenzor este un instrument analitic care transforma un raspuns biologic intr-un semnal electric. Biosenzorii au evoluat din combinarea a doua discipline separate:

- tehnologia informationala (microcircuite si fibre optice, procesare numerica a datelor, teoria generala a sistemelor cu comportare neliniara)

- biologia moleculara.

Prima furnizeaza electrozi miniaturali sau senzori optici, tehnica de preluare si procesare a informatiei, iar a doua pune la dispozitie biomolecule care recunosc o substanta tinta.

1. 1. Istoria biosenzorilor

In 1950 Leland C. Clark Jr., a inventat un electrod destinat a fi folosit pentru masurarea oxigenului dizolvat in sangele bolnavilor operati. Acesta este format dintr-un electrod de platina si un electrod cu o membrana de plastic permeabila la gaze. Polaritatea electrodului a fost astfel stabilita incat intensitatea curentului prin circuit sa depinda de viteza de difuzie a oxigenului prin membrana, viteza ce este direct proportionala cu concentratia externa a oxigenului

In 1962 Clark extinde folosirea acestui "electrod de masurare a oxigenului" la determinarea nivelului de glocoza in sange. El a imbracat senzorul pentru oxigen cu un strat subtire de gel ce contine un biocatalizator, enzima numita gluco-oxidaza, urmat de o membrana semipermeabila de dializa ce permite glucozei sa difuzeze in senzor, dar opreste enzima sa difuzeze afara. Cu cat intra mai multa glucoza, cu atat mai mult oxigen este consumat de enzima. Deci, o cantitate mica de oxigen existenta se traduce prin existenta unui nivel ridicat de glucoza.

In 1969, G.Guilbault a inventat un sistem de masura a ureei in fluidele corpului. Dispozitivul lui foloseste o enzima, ureaza, ce converteste urea in bioxid de carbon si amoniac. Electrodul sesizeaza schimbarile in concentratia ionilor de amoniu. Acest dispozitiv a constituit o imbunatatire pentru ca se bazeaza pe o detectie potentiometrica (un fel de senzor potentiometric), o tehnica ce de atunci a fost folosita foarte mult.

In timp ce senzorii lui Clark masoara trecerea curentului prin electrod, senzorul potentiometric masoara tensiunea ceruta pentru mentinerea curentului la zero. Electrodul nu consuma nici un fel de reactanti de aceea este mai putin susceptibil la erori cauzate de schimbarile survenite in mediul extern. In plus, sistemul potentiometric are o curba logaritmica de raspuns astfel incat poate urmari o concentratie de peste 100 de ori.

In deceniile ce au urmat, peste 100 de enzime au fost folosite in biosenzori. Cercetatorii in domeniu au realizat ca nu numai enzimele singulare se pot folosi, ci si tesuturi ce reactioneaza la aminoacizi si la alte biomolecule importante. De ex, folosirea pulpei de banana pentru masurarea dopaminei, miezul de porumb pentru piruvat, frunza de castravete pentru cisteina, sfecla de zahar pentru tirozina, ficatul de iepure pentru guanina si pudra de muschi de iepure pentru monofosfat de adenozina.

Biosenzorii au inceput sa fie folositi cu succes si in alte domenii decat cele medicale. Astfel, Isao Kurube si Shuichi Suzuki au masurat cerintele biochimie ale oxigenului, ce reprezinta un indiciu al prezentei materiilor organice in apa uzata. Biosenzorul bazat pe drojdie, face o citire a rezultatelor in 30 minute fata de 5 zile in care se obtin rezultatele prin metode conventionale.