הביו-סנסורים חוללו מהפכה בתחומי הרפואה והביוטכנולוגיה באמצעות איתור ואפיון של מולקולות מטרה בנוזלים ביולוגיים מורכבים. ביו-סנסור הוא מכשיר המשתמש במולקולת קולטן ביולוגי, כגון אנזים, כדי לזהות תרכובת ספציפית. Biosensors להשתמש בשיטות שונות, כגון אלקטרוכימיה, תכונות מכניות, או אופטיקה, כדי לזהות את הכריכה של המולקולה הספציפית לקולטן. וידאו זה יציג biosensors ואת שדה biosensing על ידי דיון כמה טכניקות בסיסיות וסוגים של biosensors, כמו גם היישומים שלהם.
ראשית, בואו נדון ביסודות של איך אופן הפעולה של ביו-סנסור טיפוסי. ביו-סנסור מורכב ממערכת זיהוי ביולוגית, הנקראת לעתים קרובות ביו-קולטן או מולקולת הגשושית. זהו בדרך כלל ביומולקולה משותקת, כגון אנזים, נוגדן או חומצת גרעין, המשמשת ללכידה סלקטיבית של מולקולת מטרה. הכריכה בין הגשושית למולקולות היעד גורמת לאירוע מדיד, כגון שינוי pH, שינוי אופטי או אירוע redox. שינוי זה נמדד על-ידי המתמר, הממיר את המידע המחייב לאות הניתן לכימות. כמה biosensors לכמת את כמות היעד מאוגד, מתן המשתמש עם ריכוז. עם זאת, חלקם משמשים פשוט כדי לאשר את נוכחותה של מולקולה, כמו בבדיקת הריון. הביו-סנסור הראשון היה חיישן החמצן שפותח על ידי לילנד סי קלארק. החיישן השתמש גלוקוז אוקסידאז, אשר מופחת כאשר גלוקוז נקשר. בנוכחות חמצן, גלוקוז אוקסידאז הוא אז חמצון, לייצר מי חמצן בתגובת צד. כאשר מי חמצן מחומצן, אלקטרון הולך לאיבוד ונמדד על ידי האלקטרודה. ככל שיש יותר חמצן, כך מיוצר יותר מי חמצן ויותר אלקטרונים נמדדים. תגלית זו סללה את הדרך עבור biosensors מודרניים. עכשיו שהצגנו ביו-סנסורים וקצת מההיסטוריה שלהם, בואו נסתכל על כמה סוגים נפוצים של ביו-סנסורים.
חיישנים אופטיים משתמשים באור כדי לזהות את הכריכה של מולקולת מטרה למולקולת הגשוש. דוגמה פשוטה מאוד היא חיישן מבוסס פלואורסצנטיות. כאן, פני השטח של החיישן מצופים בפולימר, אשר יש פלואורסצנטיות בזאלית נמוכה. כאשר פני השטח הפולימריים מתפקדים עם מולקולת הגשושית, במקרה זה, דנ"א חד-גדילי, הפלואורסצנטיות עולה. כאשר מולקולת היעד, גדיל ה- DNA המשלים, נקשרת לגדיל היעד, הפלואורסצנטיות המוגברת נעלמת, ומאפשרת למשתמש לקבוע את הכמות והמיקום של הכריכה בהתבסס על עוצמת הפלואורסצנטיות. סוג נפוץ נוסף של ביו-סנסור הוא החיישן האלקטרוכימי, המשתמש באלקטרודות כדי לחוש בתגובות נוקס מחדש בין הגשושית למולקולות היעד. זה נעשה בדרך כלל באמצעות אנזים הקשור אל פני השטח אלקטרודה. כאשר מולקולת היעד נקשרת לאנזים תחת פוטנציאל יישומי מסוים, מתרחשת הפחתה או חמצון של המתחם. זה יוצר עודף או גירעון של אלקטרונים, שהוא פרופורציונלי ישירות לכמות מולקולת היעד הכבולה.
תחום הרגישות הביולוגית אינו נטול אתגרים. ראשית, אתגר מרכזי אחד הוא זיהום פני השטח הביו-סנסור על ידי מולקולות אחרות במדגם, הנקראות ביופולינג, אשר יכול להתרחש בתערובות מורכבות. זיהום זה יכול לחסום את מולקולות הגשוש מלחוש את מולקולת המטרה במדגם, ובכך להפחית מאוד את יכולת הזיהוי של החיישן. כתוצאה מכך, כמה biosensors יש חיים מוגבלים והם גם מחדשים או מסולקים. לחלופין, ציפויים נגד biofouling עשויים להיות מפותחים כדי למתן את האפקט הזה. מגבלת הזיהוי של חיישן מתייחסת לכמות הנמוכה ביותר של חומר שניתן להבחין אמין בין היעדר חומר זה. מגבלת זיהוי נמוכה היא יתרון בזיהוי כמויות זעירות של חומר בוודאות, עם זיהוי מולקולה אחת להיות התרחיש האידיאלי. עם זאת, זה יכול להיות קשה, כמו ריכוזים נמוכים לעתים קרובות לגרום אותות חלשים כי הם מתחת לרעש וקשה לכמת. חלק גדול מהמחקר הנוכחי נועד לשפר את מגבלות הזיהוי על ידי שיפור היעילות הכריכה והפחתת הרעש.
כעת, לאחר שדיברנו על כמה סוגים נפוצים של ביו-סנסורים יחד עם האתגרים שלהם, בואו נסתכל על כמה יישומים של מושגים בסיסיים אלה. חיישן נפוץ הוא מיקרו-איזון גביש קוורץ, או QCM. QCM מורכב משתי אלקטרודות זהב המופרדות על ידי גביש קוורץ, אשר יש תכונות פיזואלקטריות. כאשר מוחל זרם מתחלף, תנודות עם תדר מהדהד מסוים מושרות. תדר מהדהד זה משתנה כאשר מולקולות נקשרות לפני השטח. שינוי זה משמש לזיהוי הכריכה של מולקולות היעד והכמות. cantilevers מיוחדים להשתמש תכונות מכניות כדי לזהות את הכריכה של מולקולות היעד. כאן, הקנטילוורים עוברים פונקציות עם מולקולות בדיקה ואז נחשפים למולקולת המטרה. עם כריכת מולקולת המטרה, הקנטילוור מסיט עקב השינויים בלחץ פני השטח. הסטה זו נמדדת לאחר מכן באמצעות לייזר.
הרגע צפיתם בסקירה הכללית של JoVE על חישת ביולוגית. עכשיו אתה צריך להכיר את היסודות של biosensors, כמה סוגים מרכזיים של חיישנים ואת האתגרים שלהם, כמו גם כמה יישומים בתחום. תודה שצפיתם.
