Cảm biến sinh học đầu tiên được phát minh vào năm 1950 bởi nhà hóa sinh người Mỹ “L.L Clark”. Cảm biến sinh học này được sử dụng để đo lượng oxy trong máu và điện cực được sử dụng trong cảm biến này được đặt tên là điện cực Clark hoặc điện cực oxy. Sau đó, một lớp gel với enzyme oxy hóa glucose được đặt trên điện cực oxy để tính lượng đường trong máu. Tương ứng, enzyme urease được sử dụng với một điện cực được phát minh đặc biệt cho các ion NH4 ++ để tính urê trong chất lỏng của cơ thể như nước tiểu và máu.
Có ba thế hệ cảm biến sinh học có sẵn trên thị trường. Trong loại đầu tiên của cảm biến sinh học, phản ứng của sản phẩm phân tán đến cảm biến và gây ra phản ứng điện. Trong loại thứ hai, cảm biến liên quan đến các trung gian cụ thể giữa cảm biến và phản hồi để tạo ra phản hồi tốt hơn. Trong loại thứ ba, phản ứng tự gây ra phản ứng và không có chất trung gian trực tiếp tham gia. Bài viết này giới thiệu tổng quan về bộ cảm biến sinh học, hoạt động của cảm biến sinh học, các loại khác nhau và ứng dụng của nó.
Cảm biến sinh học là gì?
Cảm biến sinh học có thể được định nghĩa là thiết bị phân tích bao gồm sự kết hợp của các yếu tố phát hiện sinh học như hệ thống cảm biến và đầu dò. Khi chúng tôi so sánh với bất kỳ thiết bị chẩn đoán hiện có nào khác, những cảm biến này được nâng cao trong các điều kiện về độ chọn lọc cũng như độ nhạy. Các ứng dụng của các Cảm biến sinh học này chủ yếu bao gồm kiểm tra kiểm soát ô nhiễm sinh thái, trong lĩnh vực nông nghiệp cũng như các ngành công nghiệp thực phẩm. Các tính năng chính của cảm biến sinh học là độ ổn định, giá thành, độ nhạy và khả năng tái tạo.
Các thành phần chính của cảm biến sinh học
Các sơ đồ khối của bộ cảm biến sinh học bao gồm ba phân đoạn cụ thể là, cảm biến, đầu dò và các điện tử liên kết. Trong phân đoạn đầu tiên, cảm biến là bộ phận sinh học đáp ứng, phân đoạn thứ hai là bộ phận dò thay đổi tín hiệu thu được từ sự tiếp xúc của chất phân tích và cho kết quả nó hiển thị theo cách có thể truy cập được. Phần cuối cùng bao gồm một bộ khuếch đại được gọi là mạch điều hòa tín hiệu, bộ hiển thị cũng như bộ xử lý.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
Thông thường, một loại enzym cụ thể hoặc vật liệu sinh học được ưu tiên bị vô hiệu hóa bằng một số phương pháp thông thường và vật liệu sinh học đã khử hoạt tính sẽ tiếp xúc gần với đầu dò. Chất phân tích kết nối với đối tượng sinh học để định hình chất phân tích rõ ràng, từ đó tạo ra phản ứng điện tử có thể tính toán được. Trong một số ví dụ, chất phân tích được thay đổi thành một thiết bị có thể được kết nối với sự phóng điện của khí, nhiệt, các ion điện tử hoặc ion hydro. Trong này, đầu dò có thể thay đổi thiết bị liên kết chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể được thay đổi và tính toán.
Hoạt động của cảm biến sinh học
Tín hiệu điện của đầu dò thường thấp và phủ lên mức cơ bản khá cao. Nói chung, quá trình xử lý tín hiệu bao gồm việc trừ đi một tín hiệu cơ bản vị trí, thu được từ một đầu dò liên quan mà không có bất kỳ chất xúc tác sinh học nào.
Đặc tính tương đối chậm của phản ứng cảm biến sinh học làm giảm đáng kể vấn đề lọc nhiễu điện. Trong giai đoạn này, đầu ra trực tiếp sẽ là tín hiệu tương tự tuy nhiên nó được thay đổi thành dạng kỹ thuật số và được chấp nhận một bộ vi xử lý giai đoạn mà thông tin được tiến triển, ảnh hưởng đến các đơn vị ưu tiên và o / p tới một kho dữ liệu.
Các loại cảm biến sinh học
Các loại cảm biến sinh học khác nhau được phân loại dựa trên thiết bị cảm biến cũng như vật liệu sinh học được thảo luận dưới đây.
1. Cảm biến sinh học điện hóa
Nói chung, cảm biến sinh học điện hóa dựa trên phản ứng của xúc tác enzym tiêu thụ hoặc tạo ra điện tử. Các loại enzyme như vậy được đặt tên là Enzyme oxy hóa khử. Chất nền của bộ cảm biến sinh học này thường bao gồm ba điện cực như bộ đếm, tham chiếu và loại làm việc.
Chất phân tích đối tượng tham gia vào phản ứng xảy ra trên bề mặt của điện cực hoạt động, và phản ứng này cũng có thể tạo nguồn chuyển điện tử qua điện thế lớp kép. Dòng điện có thể được tính toán ở một điện thế xác định.
Cảm biến sinh học điện hóa được phân thành bốn loại
- Bộ cảm biến sinh học Amperometric
- Cảm biến sinh học điện thế
- Cảm biến sinh học đo trở kháng
- Cảm biến sinh học Voltammetric
2. Cảm biến sinh học Amperometric Biosensor
Cảm biến sinh học amperometric là một thiết bị tích hợp độc lập dựa trên lượng dòng điện xảy ra sau quá trình oxy hóa cung cấp thông tin phân tích định lượng chính xác.
Nói chung, các Cảm biến sinh học này có thời gian phản ứng, phạm vi năng lượng & độ nhạy tương đương với Cảm biến sinh học điện thế. Cảm biến sinh học amperometric đơn giản được sử dụng thường xuyên bao gồm điện cực “Clark oxy”.
Quy tắc của bộ cảm biến sinh học này dựa trên lượng dòng điện giữa Điện cực Bộ đếm và hoạt động được khuyến khích bởi phản ứng oxy hóa khử ở điện cực hoạt động. Lựa chọn các trung tâm phân tích là điều cần thiết để có nhiều lựa chọn sử dụng, bao gồm sàng lọc thuốc thông lượng cao, kiểm soát chất lượng, phát hiện và xử lý vấn đề cũng như kiểm tra sinh học.
3. Cảm biến sinh học điện thế
Loại cảm biến sinh học này cung cấp câu trả lời theo lôgarit bằng một dải năng lượng cao. Các cảm biến sinh học này thường được hoàn thiện bằng màn hình tạo ra các nguyên mẫu điện cực nằm trên chất nền tổng hợp, được bao phủ bởi một polyme hoạt động với một số enzyme được kết nối.
Chúng bao gồm hai điện cực cực kỳ nhạy và mạnh. Chúng cho phép nhận dạng các chất phân tích trên các giai đoạn trước khi chỉ có thể đạt được bằng HPLC, LC / MS & mà không cần chuẩn bị mô hình chính xác.
Tất cả các loại cảm biến sinh học thường chiếm ít nhất trong việc chuẩn bị mẫu bởi vì thành phần phát hiện sinh học cực kỳ kén chọn được sử dụng cho chất phân tích gặp khó khăn. Bởi những thay đổi của vật lý và điện hóa, tín hiệu sẽ được tạo ra bởi trong lớp polyme dẫn điện do sự biến đổi xảy ra ở bên ngoài của cảm biến sinh học.
Những thay đổi này có thể được cho là do lực ion, phản ứng hydrat hóa, pH, và phản ứng oxy hóa khử, càng muộn khi nhãn của enzyme quay trên chất nền. Trong FETs , thiết bị đầu cuối cổng đã được thay đổi bằng kháng thể hoặc enzym, cũng có thể cảm nhận được sự chú ý rất thấp của các chất phân tích khác nhau bởi vì yêu cầu của chất phân tích đối với thiết bị đầu cuối cổng làm thay đổi dòng chảy thành dòng điện.
4. Cảm biến sinh học đo trở kháng
EIS (Quang phổ trở kháng điện hóa) là một chỉ báo đáp ứng cho một loạt các tính chất vật lý cũng như hóa học. Hiện nay đang quan sát thấy một xu hướng gia tăng đối với việc mở rộng các cảm biến sinh học đo trở kháng. Các kỹ thuật của Impedimetric đã được thực hiện để phân biệt việc phát minh ra cảm biến sinh học cũng như để kiểm tra các phản ứng xúc tác của các enzym lectin, axit nucleic, các thụ thể, toàn bộ tế bào và kháng thể.
5. Cảm biến sinh học Voltammetric
Giao tiếp này là cơ sở của cảm biến sinh học đo điện thế mới để nhận thấy acrylamide. Cảm biến sinh học này được chế tạo bằng một điện cực keo carbon được tùy chỉnh với Hb (hemoglobin), bao gồm bốn nhóm tuyến tiền liệt của hem (Fe). Loại điện cực này thể hiện quá trình oxi hóa hoặc khử thuận nghịch của Hb (Fe).
Cảm biến sinh học vật lý
Trong điều kiện phân loại, cảm biến sinh học vật lý là cảm biến cơ bản nhất cũng như được sử dụng rộng rãi. Ý tưởng chính đằng sau sự phân loại này cũng xảy ra từ việc kiểm tra tâm trí con người. Vì phương pháp hoạt động chung đằng sau trí thông minh của thính giác, thị giác, xúc giác là phản ứng với các kích thích vật lý bên ngoài, do đó, bất kỳ thiết bị phát hiện nào cung cấp phản ứng với tài sản vật lý của phương tiện được đặt tên là cảm biến sinh học vật lý.
Các cảm biến sinh học vật lý được phân thành hai loại là cảm biến sinh học áp điện và cảm biến sinh học nhiệt.
Cảm biến sinh học áp điện
Các cảm biến này là một tập hợp các thiết bị phân tích hoạt động dựa trên quy luật “ghi lại tương tác ái lực”. Nền tảng của chất áp điện là một phần tử cảm biến hoạt động dựa trên quy luật biến đổi dao động do bước nhảy thu trên bề mặt của tinh thể áp điện. Trong phân tích này, các cảm biến sinh học có bề mặt được sửa đổi với kháng nguyên hoặc kháng thể, polyme được đánh dấu phân tử và thông tin di truyền. Các bộ phận phát hiện được khai báo thường được thống nhất bằng cách sử dụng các hạt nano.
Cảm biến sinh học nhiệt
Có nhiều loại phản ứng sinh học khác nhau có liên quan đến việc phát minh ra nhiệt, và điều này làm cơ sở của các cảm biến sinh học đo nhiệt. Các cảm biến này thường được đặt tên là cảm biến sinh học nhiệt
Nhiệt kế- cảm biến sinh học được sử dụng để đo hoặc ước tính lượng cholesterol trong huyết thanh. Khi cholesterol bị oxy hóa thông qua enzyme oxy hóa cholesterol, thì nhiệt lượng sẽ được tạo ra có thể được tính toán. Tương tự, các đánh giá về glucose, urê, axit uric và penicillin G có thể được thực hiện bằng các cảm biến sinh học này.
Cảm biến sinh học quang học
Cảm biến sinh học quang học là một thiết bị sử dụng nguyên tắc đo quang học. Họ sử dụng sợi quang học cũng như các đầu dò quang điện tử. Thuật ngữ optrode thể hiện sự nén của hai thuật ngữ quang học và điện cực. Các cảm biến này chủ yếu liên quan đến các kháng thể và các enzym như các phần tử chuyển nạp.
Cảm biến sinh học quang học cho phép một cảm biến an toàn không thể tiếp cận không dùng điện của thiết bị. Một lợi ích bổ sung là các cảm biến này thường không cần cảm biến tham chiếu, vì tín hiệu so sánh có thể được tạo ra bằng cách sử dụng nguồn sáng tương tự như cảm biến lấy mẫu. Cảm biến sinh học quang học được phân loại thành hai loại là cảm biến sinh học phát hiện quang học trực tiếp và cảm biến sinh học phát hiện quang học được dán nhãn.
Cảm biến sinh học đeo được
Cảm biến sinh học có thể đeo là một thiết bị kỹ thuật số, được sử dụng để đeo trên cơ thể người trong các hệ thống đeo khác nhau như đồng hồ thông minh, áo sơ mi thông minh, hình xăm cho phép mức đường huyết, HA, nhịp tim, v.v.
Ngày nay, chúng ta có thể nhận thấy rằng các cảm biến này đang mang lại một tín hiệu về sự cải tiến cho thế giới. Việc sử dụng chúng tốt hơn và dễ dàng hơn có thể cung cấp mức độ trải nghiệm ban đầu vào trạng thái thể dục trong thời gian thực của bệnh nhân. Khả năng truy cập dữ liệu này sẽ cho phép lựa chọn lâm sàng cao hơn và sẽ ảnh hưởng đến kết quả sức khỏe nâng cao và khả năng sử dụng thêm các hệ thống y tế.
Đối với con người, các cảm biến này có thể hỗ trợ nhận biết sớm các hành động sức khỏe và ngăn ngừa nhập viện. Khả năng của những cảm biến này để giảm thời gian nằm viện và khả năng xuất viện chắc chắn sẽ thu hút nhận thức tích cực trong tương lai sắp tới. Ngoài ra, thông tin điều tra nói rằng WBS chắc chắn sẽ mang một thiết bị y tế đeo được với chi phí hiệu quả ra thế giới.
Ứng dụng cảm biến sinh học
Trong những năm gần đây, những cảm biến này đã trở nên rất phổ biến và chúng được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau được đề cập dưới đây.
- Kiểm tra sức khỏe thông thường
- Đo lường chất chuyển hóa
- Tầm soát bệnh tật
- Điều trị insulin
- Liệu pháp tâm lý lâm sàng & chẩn đoán bệnh
- Trong quân đội
- Ứng dụng nông nghiệp và thú y
- Cải thiện ma tuý, phát hiện tội phạm
- Xử lý & giám sát trong công nghiệp
- Kiểm soát ô nhiễm sinh thái
Từ bài báo trên, cuối cùng, chúng ta có thể kết luận rằng cảm biến sinh học và điện tử sinh học đã được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, nghiên cứu khoa học đời sống, môi trường, thực phẩm và các ứng dụng quân sự. Hơn nữa, những cảm biến này có thể được cải tiến như công nghệ nano. Ví dụ tốt nhất về việc sử dụng công nghệ nano trong tương lai bao gồm giấy điện tử, kính áp tròng và Nokia morph. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, cảm biến sinh học đeo được là gì?
