Biotipala – poiščite proizvajalce in dobavitelje

Biološki senzorji zaznavajo biološke ali kemične snovi s pomočjo biološkega prepoznavalnega elementa in pretvorijo reakcijo v merljiv signal.

Uporabljajo se za zaznavanje snovi, kot so glukoza, laktat, encimi, protitelesa, mikroorganizmi, toksini in druge biološke ali kemične analite.
Biosenzor običajno sestavljajo biološki prepoznavni element, pretvornik in elektronika za vrednotenje. Prepoznavni element selektivno reagira s ciljno snovjo. Pretvornik to reakcijo pretvori v električni, optični, toplotni ali mehanski signal.
Biološki senzorji se uporabljajo v medicinski diagnostiki, biotehnologiji, analizi živil, spremljanju okolja ter v industrijskih analiznih in procesnih sistemih.
Glede na uporabo so na voljo kot posamezni zaznavni elementi, merilne celice, sonde, testne lističe, pretočni senzorji ali sestavni deli celotnih analitičnih instrumentov.
V nadaljevanju je podan pregled tipičnih vrst, uporab, prednosti, omejitev in pomembnih meril za izbiro biosenzorjev.

Vrste biosenzorjev

Encimski biosenzorji

Encimski biosenzorji uporabljajo encime kot biološke prepoznavalne elemente.
Encim selektivno reagira s snovjo, ki jo je treba izmeriti. Pri tem nastanejo merljivi reakcijski produkti ali spremembe, ki jih zazna pretvornik.
Encimski biosenzorji se uporabljajo na primer za merjenje glukoze, laktata, glutamata, glutamina, holesterola ali alkohola.
Natančnost merjenja je odvisna, med drugim, od encimske aktivnosti, temperature, vrednosti pH in sestave vzorca.

Imunosenzorji

Imunosenzorji temeljijo na specifičnem vezanju med protitelesi in antigeni.
Z njimi je mogoče zaznati beljakovine, patogene, alergene, toksine in druge biološke ciljne snovi.
Reakcijo vezave se ocenjuje elektrokemijsko, optično ali prek spremembe mase na površini senzorja.
Za zanesljive rezultate je treba čim bolj zmanjšati navzkrižne reakcije s podobnimi snovmi.

Biosenzorji na osnovi nukleinskih kislin

Biosenzorji na osnovi nukleinskih kislin zaznavajo specifične zaporedja DNA ali RNA.
V ta namen se ustrezni odseki nukleinskih kislin imobilizirajo na površini senzorja. Ko se ciljni zaporedje veže na to površino, se ustvari signal, ki ga je mogoče ovrednotiti.
Takšne senzorje je mogoče uporabiti za zaznavanje genetskih značilnosti, biološke kontaminacije ali določenih mikroorganizmov.

Biosenzorji na osnovi celic

Biosenzorji na osnovi celic uporabljajo žive celice ali celične komponente kot prepoznavalne elemente.
Celice se odzivajo na specifične snovi, okoljske pogoje ali toksične vplive. Nato se merijo spremembe v metabolizmu, rasti ali drugih celičnih funkcijah.
Sistemi na osnovi celic se uporabljajo v farmacevtskem testiranju, toksikologiji in okoljski analizi.

Elektrokemijski biosenzorji

Elektrokemijski biosenzorji pretvarjajo biološko ali kemično reakcijo v električni signal.
Odvisno od zasnove se merijo električni tokovi, napetosti, upori ali impedanse.
Elektrokemijske biosenzorje je mogoče oblikovati v kompaktnih izvedbah in so pogosto primerni za majhne količine vzorcev ter za mobilne ali avtomatizirane merilne sisteme.
Vendar pa lahko na površino elektrode vplivajo usedline, onesnaženje ali sestavine vzorca.

Optični biosenzorji

Optični biosenzorji zaznavajo spremembe v svetlobnih signalih.
Merjeni parametri vključujejo absorpcijo, fluorescenco, luminescenco, odboj in spremembe lomnega količnika.
Optični biosenzorji lahko dosežejo visoko občutljivost in, odvisno od zasnove, lahko zaznavajo več snovi hkrati.
Motične, obarvane ali vzorci, ki močno razpršujejo svetlobo, lahko ovirajo merjenje.

Piezoelektrični biosenzorji

Piezoelektrični biosenzorji zaznavajo spremembe mase na nihajoči površini senzorja.
Ko se ciljna snov veže na prevlečeno površino, se spremeni resonančna frekvenca senzorskega elementa.
Takšni sistemi so primerni za preučevanje procesov vezave. Na rezultat merjenja lahko vplivajo temperatura, viskoznost in nespecifični nanosi.

Uporaba biosenzorjev

Medicinska diagnostika

V medicinski diagnostiki se biosenzorji uporabljajo za določanje presnovnih vrednosti, biomarkerjev, patogenov in drugih medicinsko pomembnih parametrov.
Med najbolj znanimi uporabami sta merjenje glukoze in laktata.
Odvisno od zasnove so biosenzorji lahko del laboratorijske opreme, prenosnih merilnih naprav, testnih trakov ali merilnih sistemov za neprekinjeno delovanje.

Biotehnologija in fermentacija

V biotehnoloških procesih biosenzorji spremljajo hranilne snovi, presnovne produkte in pogoje procesa.
Izmerjene vrednosti, kot so glukoza, laktat, glutamat, glutamin ali kisik, zagotavljajo informacije o poteku fermentacijskih procesov in celičnih kultur.
Hitro zaznavanje omogoča zgodnje odkrivanje odstopanj in prilagajanje pogojev procesa.

Farmacevtske raziskave

V farmacevtskih raziskavah se biosenzorji uporabljajo za preučevanje aktivnih snovi, beljakovin, vezavnih reakcij in celičnih odzivov.
Omogočajo avtomatizacijo merilnih serij in hitro zaznavanje sprememb v bioloških procesih.
Za primerljive rezultate so potrebni ponovljivi pogoji vzorčenja, ustrezna kalibracija in nadzorovana površina senzorja.

Prehrambena in pijačarska industrija

Biosenzorji lahko zaznavajo sestavine, alergene, mikroorganizme, toksine in ostanke v živilih in pijačah.
Uporabljajo se za pregled surovin, proizvodnih procesov in končnih izdelkov.
Maščobe, beljakovine, barvila, delci in druge sestavine vzorca lahko vplivajo na rezultat merjenja. Senzor mora biti zato primeren za zadevno prehransko matriko.

Okoljska analiza

V okoljski analizi se biosenzorji uporabljajo za odkrivanje onesnaževalcev, mikroorganizmov, pesticidov in organskih onesnaževalcev.
Analizirati je mogoče vodo, odpadno vodo, izvlečke tal in druge okoljske vzorce.
Robustna ohišja senzorjev, enostavno upravljanje in nizka občutljivost na temperaturna nihanja so prednosti za mobilne aplikacije.

Nadzor industrijskih procesov

Biosenzorje je mogoče vgraditi v sisteme za industrijsko analizo in procese.
Nadzorujejo biološke ali kemijske parametre v reaktorjih, cevovodih, merilnih celicah in avtomatiziranih sistemih za vzorčenje.
Odpornost proti procesnim medijem, ustrezna življenjska doba ter možnost čiščenja ali zamenjave senzorskega elementa so pomembni za neprekinjeno delovanje.

Prednosti biosenzorjev

• Selektivno zaznavanje določenih bioloških ali kemičnih snovi
• Kratki časi merjenja
• Majhne zahteve glede vzorca
• Kompaktne izvedbe
• Vključitev v mobilne in avtomatizirane merilne sisteme
• Možnost neprekinjenih ali ponavljajočih se meritev
• Na voljo so različni biološki prepoznavni elementi
• Različni električni in optični izhodni signali
• Uporaba v laboratorijih, proizvodnih okoljih in pri mobilnih analizah
• Možnost neposrednega spremljanja procesa

Omejitve biosenzorjev

• Biološki prepoznavni elementi so lahko občutljivi na temperaturo, vlago, vrednost pH in kemikalije.
• Encimi, protitelesa, celice in druge biološke sestavine imajo pogosto omejeno življenjsko dobo pri shranjevanju in delovanju.
• Sestavine vzorca se lahko nabirajo na površini senzorja in spremenijo rezultat merjenja.
• Podobne snovi lahko povzročijo navzkrižne reakcije, odvisno od prepoznavalnega elementa.
• Kalibracija se lahko med delovanjem spremeni, zato jo je treba redno preverjati.
• Nekateri biosenzorji so namenjeni izključno za enkratno uporabo.
• Čiščenje in regeneracija senzorjev za večkratno uporabo sta lahko zamudna.
• Rezultatov laboratorijskih meritev ni vedno mogoče neposredno prenesti na dejanske vzorce ali industrijske procese.
• Zmogljivost biosenzorja je pogosto močno odvisna od sestave vzorca.
• Standardizirane primerjalne vrednosti različnih proizvajalcev niso na voljo za vsako uporabo.

Pomembna merila za izbiro biosenzorjev

Ciljna snov

Prvi korak je opredelitev snovi ali skupine snovi, ki jo je treba zaznati.
Biosenzor mora vsebovati ustrezen biološki prepoznavni element za zadevni analit.
Upoštevati je treba tudi morebitne spremljevalne snovi in kemijsko podobne spojine, saj lahko vplivajo na rezultat merjenja.

Merilno območje in meja zaznavnosti

Merilno območje mora v celoti pokrivati pričakovane koncentracije.
Za zelo nizke koncentracije je potrebna dovolj nizka meja zaznavnosti.
Vendar pa posebej občutljiv senzor ni avtomatično boljši, če je zadevno koncentracijsko območje znatno višje.

Selektivnost

Selektivnost opisuje, kako specifično se biosenzor odziva na ciljno snov.
V kompleksnih vzorcih lahko podobne molekule ali druge sestavine povzročajo neželene signale.
Zato mora proizvajalec navesti znane navzkrižne občutljivosti ter vrste vzorcev, na katerih je bil senzor testiran.

Odzivni čas

Zahtevani odzivni čas je odvisen od namena uporabe.
Za neprekinjeno spremljanje procesov ali hitro spreminjajoče se meritve mora senzor zaznati spremembe v kratkem času.
Za posamezne laboratorijske analize je lahko sprejemljiv daljši čas merjenja, če to izboljša občutljivost ali natančnost.

Vrsta vzorca in priprava vzorca

Kri, gojišča za celične kulture, živila, odpadne vode in tekočine iz industrijskih procesov postavljajo različne zahteve za biosenzor.
Viskoznost, vsebnost delcev, barva, temperatura in kemična sestava lahko vplivajo na meritev.
Treba je ugotoviti, ali je treba vzorec razredčiti, filtrirati, pripraviti ali uravnavati njegovo temperaturo.

Življenjska doba in stabilnost pri shranjevanju

Biološki prepoznavni elementi lahko med shranjevanjem in delovanjem izgubijo aktivnost.
Upoštevati je treba rok uporabnosti, dovoljeno temperaturo skladiščenja, embalažo, zaščito pred vlago in morebitne zahteve glede hlajenja.
Pri senzorjih za večkratno uporabo je pomembno tudi število možnih merilnih ali regeneracijskih ciklov.

Senzor za enkratno ali večkratno uporabo

Senzorji za enkratno uporabo zmanjšujejo potrebe po čiščenju in tveganje prenosa med vzorci.
Senzorji za večkratno uporabo so lahko bolj ekonomični pri pogostih meritvah, vendar zahtevajo ustrezne postopke čiščenja, kalibracije in regeneracije.
Izbira je odvisna od pogostosti merjenja, higienskih zahtev in stroškov na meritev.

Izhodni signal in vmesniki

Izhodni signal mora biti združljiv z obstoječim merilnim ali krmilnim sistemom.
Odvisno od biosenzorja so na voljo tokovni, napetostni, frekvenčni, digitalni ali optični signali.
Za avtomatizirane aplikacije so pomembni ustrezni vmesniki, stabilen prenos podatkov in integracija v programsko opremo za vrednotenje.

Kalibracija

Biosenzorji zahtevajo ustrezno kalibracijo za predvideni merilni razpon in vrsto vzorca.
Upoštevati je treba kalibracijske intervale, referenčne raztopine, temperaturno kompenzacijo in morebitno odstopanje.
Kalibracijo je treba dokumentirati in zagotoviti njeno sledljivost, da se zagotovijo primerljivi rezultati.

Okoljske in procesne razmere

Temperatura, tlak, vlaga, vibracije, elektromagnetne motnje in agresivna sredstva lahko vplivajo na delovanje.
Za industrijske aplikacije morajo biti ohišja, tesnila, površine senzorjev in električne povezave zasnovane za zadevne pogoje.

Čiščenje in zamenjava

Pri biosenzorjih za večkratno uporabo je treba določiti, kako se lahko površina senzorja očisti ali regenerira.
Čistila in postopki dezinfekcije ne smejo poškodovati biološkega prepoznavalnega elementa.
Zamenljiv zaznavni element lahko poenostavi vzdrževanje in servisiranje.

Povzetek

Biosenzorji združujejo biološke prepoznavalne elemente z električnimi, optičnimi, termičnimi ali mehanskimi pretvorniki.
Glede na uporabo se uporabljajo encimski, imunološki, na nukleinskih kislinah temelječi, na celicah temelječi, elektrokemijski, optični ali piezoelektrični biosenzorji.
Tipične uporabe vključujejo medicinsko diagnostiko, biotehnologijo, farmacevtske raziskave, analizo živil, spremljanje okolja in nadzor industrijskih procesov.
Glavna merila za izbiro vključujejo ciljno snov, merilni razpon, selektivnost, mejo zaznavnosti, odzivni čas, vrsto vzorca, življenjsko dobo in vmesnik.
Ker so biološki prepoznavni elementi lahko občutljivi na okoljske pogoje in staranje, je treba pri nabavi upoštevati shranjevanje, kalibracijo, čiščenje in zamenjavo.

Biosenzorje ponujajo različni proizvajalci in dobavitelji. Izčrpne informacije o proizvajalcih in dobaviteljih biosenzorjev iz celega sveta najdete na Exportpages.