ไบโอเซนเซอร์ตัวแรกถูกคิดค้นขึ้นในปี พ.ศ. 2493 โดยนักชีวเคมีชาวอเมริกัน“ แอล. คลาร์ก” ไบโอเซนเซอร์นี้ใช้ในการวัดออกซิเจนในเลือดและอิเล็กโทรดที่ใช้ในเซ็นเซอร์นี้มีชื่อว่าขั้วไฟฟ้าคลาร์กหรืออิเล็กโทรดออกซิเจน หลังจากนั้นเจลที่มีเอนไซม์กลูโคสออกซิไดซ์วางอยู่บนอิเล็กโทรดออกซิเจนเพื่อคำนวณน้ำตาลในเลือด ในทำนองเดียวกันเอนไซม์ยูเรียถูกใช้กับอิเล็กโทรดที่คิดค้นขึ้นโดยเฉพาะสำหรับไอออน NH4 ++ สำหรับการคำนวณยูเรียในของเหลวในร่างกายเช่นปัสสาวะและเลือด
ไบโอเซนเซอร์ในตลาดมีอยู่สามรุ่น ในไบโอเซนเซอร์ชนิดแรกปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์จะกระจายไปยังเซ็นเซอร์และทำให้เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้า ในประเภทที่สองเซ็นเซอร์เกี่ยวข้องกับตัวกลางโดยเฉพาะระหว่างเซ็นเซอร์และการตอบสนองเพื่อให้เกิดการตอบสนองที่ดีขึ้น ในประเภทที่สามการตอบสนองจะทำให้เกิดปฏิกิริยาและไม่มีคนกลางเข้ามาเกี่ยวข้องโดยตรง บทความนี้ให้ภาพรวมของไบโอเซนเซอร์ การทำงานของไบโอเซนเซอร์ ประเภทต่างๆและการใช้งาน
Biosensor คืออะไร?
ไบโอเซนเซอร์สามารถกำหนดเป็นอุปกรณ์วิเคราะห์ซึ่งรวมถึงการรวมกันขององค์ประกอบการตรวจจับทางชีวภาพเช่นระบบเซ็นเซอร์และตัวแปลงสัญญาณ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์วินิจฉัยอื่น ๆ ที่มีอยู่ในปัจจุบัน เซ็นเซอร์เหล่านี้ มีความก้าวหน้าในเงื่อนไขของการคัดเลือกและความไว การใช้งานไบโอเซนเซอร์เหล่านี้ ส่วนใหญ่รวมถึงการตรวจสอบการควบคุมมลพิษในระบบนิเวศในสาขาการเกษตรและอุตสาหกรรมอาหาร คุณสมบัติหลักของไบโอเซนเซอร์คือความเสถียรต้นทุนความไวและความสามารถในการทำซ้ำ
ส่วนประกอบหลักของ Biosensor
แผนภาพบล็อก ของไบโอเซนเซอร์ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ เซ็นเซอร์ตัวแปลงสัญญาณและอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้อง ในส่วนแรกเซ็นเซอร์เป็นส่วนทางชีววิทยาที่ตอบสนองส่วนที่สองคือส่วนตรวจจับที่เปลี่ยนสัญญาณที่เป็นผลลัพธ์จากการสัมผัสของเครื่องวิเคราะห์และสำหรับผลลัพธ์จะแสดงในวิธีที่สามารถเข้าถึงได้ ส่วนสุดท้ายประกอบด้วย เครื่องขยายเสียง ซึ่งเรียกว่าวงจรปรับสภาพสัญญาณหน่วยแสดงผลและโปรเซสเซอร์
หลักการทำงานของไบโอเซนเซอร์
โดยปกติเอนไซม์เฉพาะหรือวัสดุชีวภาพที่ต้องการจะถูกปิดการใช้งานโดยวิธีการปกติบางอย่างและวัสดุชีวภาพที่ปิดใช้งานอยู่ใกล้กับตัวแปลงสัญญาณ เครื่องวิเคราะห์เชื่อมต่อกับวัตถุทางชีววิทยาเพื่อกำหนดรูปแบบการวิเคราะห์ที่ชัดเจนซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถคำนวณได้ ในบางตัวอย่างเครื่องวิเคราะห์จะเปลี่ยนเป็นอุปกรณ์ที่อาจเชื่อมต่อกับการปล่อยก๊าซความร้อนไอออนของอิเล็กตรอนหรือไฮโดรเจนไอออน ในเรื่องนี้, ตัวแปลงสัญญาณ สามารถเปลี่ยนอุปกรณ์ที่เชื่อมโยงแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงและคำนวณได้
การทำงานของไบโอเซนเซอร์
สัญญาณไฟฟ้าของตัวแปลงสัญญาณมักจะต่ำและซ้อนทับบนพื้นฐานที่ค่อนข้างสูง โดยทั่วไปการประมวลผลสัญญาณจะรวมถึงการหักสัญญาณพื้นฐานตำแหน่งซึ่งได้รับจากตัวแปลงสัญญาณที่เกี่ยวข้องโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพใด ๆ ครอบคลุม
ลักษณะที่ค่อนข้างช้าของปฏิกิริยาไบโอเซนเซอร์ช่วยลดปัญหาการกรองสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าได้อย่างมาก ในขั้นตอนนี้เอาต์พุตโดยตรงจะเป็นสัญญาณแอนะล็อก แต่จะเปลี่ยนเป็นรูปแบบดิจิทัลและได้รับการยอมรับ ไมโครโปรเซสเซอร์ เฟสที่ข้อมูลมีความคืบหน้าขึ้นอยู่กับหน่วยที่ต้องการและ o / p ไปยังที่เก็บข้อมูล
ประเภทของไบโอเซนเซอร์
ไบโอเซนเซอร์ประเภทต่างๆได้รับการจัดประเภทตามอุปกรณ์เซ็นเซอร์เช่นเดียวกับวัสดุชีวภาพที่กล่าวถึงด้านล่าง
1. Electrochemical Biosensor
โดยทั่วไปไบโอเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีจะขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่กินหรือสร้างอิเล็กตรอน เอนไซม์ประเภทนี้มีชื่อเรียกว่า Redox Enzymes พื้นผิวของไบโอเซนเซอร์นี้โดยทั่วไปประกอบด้วยอิเล็กโทรดสามตัวเช่นตัวนับการอ้างอิงและประเภทการทำงาน
เครื่องวิเคราะห์วัตถุมีส่วนร่วมในการตอบสนองที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่และปฏิกิริยานี้อาจทำให้เกิดการถ่ายเทอิเล็กตรอนข้ามศักย์สองชั้น กระแสไฟฟ้าสามารถคำนวณได้ตามศักยภาพที่ตั้งไว้
ไบโอเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีแบ่งออกเป็นสี่ประเภท
- ไบโอเซนเซอร์แบบแอมเพอโรเมตริก
- ไบโอเซนเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริก
- ไบโอเซนเซอร์แบบไม่อิ่มตัว
- โวลแทมเมตริกไบโอเซนเซอร์
2. แอมเพอโรเมตริกไบโอเซนเซอร์
ไบโอเซนเซอร์แบบแอมเพอโรเมตริกเป็นอุปกรณ์ที่รวมอยู่ในตัวโดยพิจารณาจากปริมาณของกระแสที่ตามมาจากการออกซิเดชั่นที่ให้ข้อมูลเชิงวิเคราะห์เชิงปริมาณที่แน่นอน
โดยทั่วไปไบโอเซนเซอร์เหล่านี้มีเวลาในการตอบสนองช่วงที่มีพลังและความไวเทียบเท่ากับโพเทนชิโอเมตริก - ไบโอเซนเซอร์ ไบโอเซนเซอร์แบบแอมเพอโรเมตริกแบบธรรมดาที่ใช้งานบ่อยประกอบด้วยอิเล็กโทรด“ คลาร์กออกซิเจน”
กฎของไบโอเซนเซอร์นี้ขึ้นอยู่กับปริมาณการไหลของกระแสระหว่างอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์และการทำงานซึ่งได้รับการสนับสนุนจากการตอบสนองรีดอกซ์ที่อิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ การเลือกศูนย์วิเคราะห์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่หลากหลายซึ่งประกอบไปด้วยการคัดกรองยาปริมาณสูงการควบคุมคุณภาพการค้นหาและจัดการปัญหาและการตรวจสอบทางชีวภาพ
3. ไบโอเซนเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริก
ไบโอเซนเซอร์ประเภทนี้ให้การตอบกลับแบบลอการิทึมโดยใช้ช่วงพลังงานสูง ไบโอเซนเซอร์เหล่านี้มักจะสมบูรณ์โดยจอภาพที่ผลิตต้นแบบอิเล็กโทรดที่วางอยู่บนพื้นผิวสังเคราะห์ซึ่งหุ้มด้วยโพลีเมอร์ที่มีประสิทธิภาพซึ่งเชื่อมต่อกับเอนไซม์บางชนิด
ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วซึ่งตอบสนองได้ดีและแข็งแรง อนุญาตให้มีการรับรู้การวิเคราะห์ในขั้นตอนก่อนที่จะทำได้โดย HPLC, LC / MS และไม่มีการเตรียมแบบจำลองที่แน่นอน
โดยทั่วไปไบโอเซนเซอร์ทุกประเภทใช้การเตรียมตัวอย่างน้อยที่สุดเนื่องจากส่วนประกอบการตรวจจับทางชีวภาพเป็นสิ่งที่เลือกได้มากสำหรับเครื่องวิเคราะห์ที่มีปัญหา โดยการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีไฟฟ้าสัญญาณจะถูกสร้างขึ้นในชั้นของพอลิเมอร์ตัวนำเนื่องจากการปรับเปลี่ยนเกิดขึ้นที่ด้านนอกของไบโอเซนเซอร์
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจให้เครดิตกับแรงไอออนิกการให้น้ำค่า pH และการตอบสนองรีดอกซ์ในภายหลังเมื่อฉลากของเอนไซม์หมุนอยู่เหนือสารตั้งต้น ใน FETs เทอร์มินัลประตูถูกเปลี่ยนด้วยแอนติบอดีหรือเอนไซม์นอกจากนี้ยังสามารถรับรู้ถึงความใส่ใจในการวิเคราะห์ต่างๆที่ต่ำมากเนื่องจากการวิเคราะห์ที่ต้องการไปยังเทอร์มินัลประตูทำให้มีการปรับเปลี่ยนในท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มา
4. ไบโอเซนเซอร์แบบไม่อิ่มตัว
EIS (Electrochemical impedance spectroscopy) เป็นตัวบ่งชี้การตอบสนองสำหรับคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่หลากหลาย ปัจจุบันมีการสังเกตแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นต่อการขยายตัวของอิมเพดิเมตริก - ไบโอเซนเซอร์ เทคนิคของอิมพีดิเมตริกได้รับการดำเนินการเพื่อแยกความแตกต่างของการประดิษฐ์ไบโอเซนเซอร์รวมทั้งตรวจสอบการตอบสนองที่เร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์เลคตินกรดนิวคลีอิกตัวรับเซลล์ทั้งหมดและแอนติบอดี
5. โวลแทมเมทริกไบโอเซนเซอร์
การสื่อสารนี้เป็นฐานของไบโอเซนเซอร์แบบโวลแทมเมตริกใหม่เพื่อสังเกตเห็นอะคริลาไมด์ ไบโอเซนเซอร์นี้สร้างขึ้นด้วยอิเล็กโทรดกาวคาร์บอนที่ปรับแต่งด้วย Hb (ฮีโมโกลบิน) ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มต่อมลูกหมาก 4 กลุ่มของเฮม (Fe) อิเล็กโทรดประเภทนี้แสดงขั้นตอนการออกซิเดชั่นหรือการลดกลับของ Hb (Fe)
ไบโอเซนเซอร์ทางกายภาพ
ในเงื่อนไขของการจำแนกไบโอเซนเซอร์ทางกายภาพเป็นเซ็นเซอร์พื้นฐานที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลาย แนวคิดหลักที่อยู่เบื้องหลังการจัดหมวดหมู่นี้เกิดขึ้นจากการตรวจสอบจิตใจของมนุษย์ ในฐานะที่เป็นวิธีการทำงานทั่วไปที่อยู่เบื้องหลังความฉลาดของการได้ยินการมองเห็นการสัมผัสคือการตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางกายภาพภายนอกดังนั้นอุปกรณ์ตรวจจับใด ๆ ที่มีปฏิกิริยาต่อสมบัติทางกายภาพของสื่อจึงได้รับการขนานนามว่าเป็นไบโอเซนเซอร์ทางกายภาพ
ไบโอเซนเซอร์ทางกายภาพแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ไบโอเซนเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกและไบโอเซนเซอร์แบบเทอร์โมเมตริก
ไบโอเซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริก
เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นชุดอุปกรณ์วิเคราะห์ซึ่งทำงานบนกฎของ 'การบันทึกปฏิสัมพันธ์ตามความสนใจ' แพลตฟอร์มของเพียโซอิเล็กทริกเป็นองค์ประกอบเซ็นเซอร์ที่ทำงานบนกฎของการเปลี่ยนแปลงการสั่นเนื่องจากคอลเลกชันกระโดดบนพื้นผิวของคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก ในการวิเคราะห์นี้ไบโอเซนเซอร์ที่มีพื้นผิวที่ปรับเปลี่ยนด้วยแอนติเจนหรือแอนติบอดีโพลีเมอร์ที่ประทับตราโมเลกุลและข้อมูลที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้ โดยปกติชิ้นส่วนตรวจจับที่ประกาศจะรวมกันโดยใช้อนุภาคนาโน
ไบโอเซนเซอร์แบบเทอร์โมเมตริก
มีปฏิกิริยาทางชีวภาพหลายประเภทที่เกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์ของความร้อนและทำให้ฐานของไบโอเซนเซอร์แบบเทอร์โมเมตริก เซ็นเซอร์เหล่านี้มักถูกตั้งชื่อเป็นไบโอเซนเซอร์ความร้อน
เทอร์โมเมตริก - ไบโอเซนเซอร์ใช้ในการวัด หรือประเมินระดับคอเลสเตอรอลในเลือด เมื่อคอเลสเตอรอลได้รับการออกซิไดซ์ผ่านเอนไซม์โคเลสเตอรอลออกซิไดซ์ความร้อนจะถูกสร้างขึ้นซึ่งสามารถคำนวณได้ ในทำนองเดียวกันการประเมินกลูโคสยูเรียกรดยูริกและเพนิซิลลินจีสามารถทำได้ด้วยไบโอเซนเซอร์เหล่านี้
ออปติคัลไบโอเซนเซอร์
Optical biosensor เป็นอุปกรณ์ที่ใช้หลักการวัดด้วยแสง พวกเขาใช้ไฟล์ ใยแก้วนำแสง เช่นเดียวกับตัวแปลงสัญญาณ optoelectronic คำว่า optrode หมายถึงการบีบอัดของออปติคอลและอิเล็กโทรดสองคำ เซ็นเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับแอนติบอดีและเอนไซม์เช่นองค์ประกอบที่ถ่ายทอด
ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลอนุญาตให้ตรวจจับอุปกรณ์ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ใช้ไฟฟ้า ประโยชน์เพิ่มเติมคือสิ่งเหล่านี้มักไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์อ้างอิงเนื่องจากสัญญาณเปรียบเทียบสามารถผลิตได้โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงที่คล้ายกันเช่นเซ็นเซอร์สุ่มตัวอย่าง ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ไบโอเซนเซอร์ตรวจจับแสงโดยตรงและไบโอเซนเซอร์ตรวจจับแสงที่ติดฉลาก
ไบโอเซนเซอร์ที่สวมใส่ได้
ไบโอเซนเซอร์ที่สวมใส่ได้เป็นอุปกรณ์ดิจิทัลที่ใช้สวมใส่ร่างกายมนุษย์ในระบบสวมใส่ต่างๆเช่นนาฬิกาอัจฉริยะเสื้อเชิ้ตอัจฉริยะรอยสักซึ่งช่วยให้ระดับน้ำตาลในเลือดความดันโลหิตอัตราการเต้นของหัวใจเป็นต้น
ปัจจุบันเราสามารถสังเกตได้ว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้กำลังส่งสัญญาณของการปรับปรุงไปทั่วโลก การใช้งานที่ดีขึ้นและง่ายขึ้นสามารถมอบประสบการณ์ระดับดั้งเดิมในสถานะการออกกำลังกายแบบเรียลไทม์ของผู้ป่วย ความสามารถในการเข้าถึงข้อมูลนี้จะช่วยให้มีทางเลือกทางคลินิกที่เหนือกว่าและจะส่งผลต่อผลลัพธ์ด้านสุขภาพที่ดีขึ้นและการใช้ระบบสุขภาพที่มีความสามารถพิเศษ
สำหรับมนุษย์เซ็นเซอร์เหล่านี้อาจช่วยในการรับรู้การดำเนินการด้านสุขภาพก่อนวัยอันควรและป้องกันการเข้ารับการรักษาในโรงพยาบาล ความเป็นไปได้ของเซ็นเซอร์เหล่านี้ในการลดการเข้าพักในโรงพยาบาลและการอ่านหนังสือจะดึงดูดการรับรู้เชิงบวกในอนาคตที่กำลังจะมาถึงอย่างแน่นอน เช่นกันการตรวจสอบข้อมูลระบุว่า WBS จะนำเสนออุปกรณ์เพื่อสุขภาพที่สวมใส่ได้ราคาคุ้มค่าไปทั่วโลก
แอพพลิเคชั่นไบโอเซนเซอร์
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเซ็นเซอร์เหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างมากและสามารถใช้งานได้ในสาขาต่างๆที่กล่าวถึงด้านล่าง
- การตรวจสุขภาพทั่วไป
- การวัดเมตาโบไลท์
- การตรวจคัดกรองโรค
- การรักษาด้วยอินซูลิน
- จิตบำบัดทางคลินิกและการวินิจฉัยโรค
- ในการทหาร
- การใช้งานทางการเกษตรและทางสัตวแพทย์
- การปรับปรุงยาการตรวจจับการกระทำความผิด
- การประมวลผลและการตรวจสอบในอุตสาหกรรม
- การควบคุมมลพิษในระบบนิเวศ
จากบทความข้างต้นในที่สุดเราก็สามารถสรุปได้ว่า ไบโอเซนเซอร์และ ไบโออิเล็กทรอนิกส์ ถูกนำไปใช้ในหลาย ๆ ด้านของการดูแลสุขภาพการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ชีวภาพการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมอาหารและการทหาร นอกจากนี้เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังสามารถปรับปรุงเป็นนาโนเทคโนโลยี ตัวอย่างที่ดีที่สุดของการใช้นาโนเทคโนโลยีในอนาคต ได้แก่ กระดาษอิเล็กทรอนิกส์คอนแทคเลนส์และ Nokia morph นี่คือคำถามสำหรับคุณไบโอเซนเซอร์ที่สวมใส่ได้คืออะไร?
