Biosensory – znajdź producentów i dostawców

Bioczujniki wykrywają substancje biologiczne lub chemiczne za pomocą biologicznego elementu rozpoznającego i przekształcają reakcję w sygnał mierzalny.

Są one wykorzystywane do wykrywania takich substancji, jak glukoza, mleczan, enzymy, przeciwciała, mikroorganizmy, toksyny oraz inne anality biologiczne lub chemiczne.
Bioczujnik zazwyczaj składa się z biologicznego elementu rozpoznającego, przetwornika oraz układu elektronicznego do analizy wyników. Element rozpoznający reaguje selektywnie z substancją docelową. Przetwornik przekształca tę reakcję w sygnał elektryczny, optyczny, termiczny lub mechaniczny.
Bioczujniki znajdują zastosowanie w diagnostyce medycznej, biotechnologii, analizie żywności, monitorowaniu środowiska oraz w analizie przemysłowej i systemach procesowych.
W zależności od zastosowania są one dostępne jako pojedyncze elementy czujnikowe, komory pomiarowe, sondy, paski testowe, czujniki przepływowe lub elementy kompletnych przyrządów analitycznych.
Poniżej przedstawiono przegląd typowych rodzajów, zastosowań, zalet, ograniczeń oraz ważnych kryteriów doboru biosensorów.

Rodzaje biosensorów

Biosensory enzymatyczne

W biosensorach enzymatycznych jako biologiczne elementy rozpoznające wykorzystuje się enzymy.
Enzym reaguje selektywnie z substancją, która ma być mierzona. W wyniku tej reakcji powstają mierzalne produkty reakcji lub zmiany, które są wykrywane przez przetwornik.
Biosensory enzymatyczne są wykorzystywane na przykład do pomiaru stężenia glukozy, mleczanu, glutaminianu, glutaminy, cholesterolu lub alkoholu.
Dokładność pomiaru zależy między innymi od aktywności enzymu, temperatury, wartości pH oraz składu próbki.

Immunosensory

Immunosensory opierają się na specyficznym wiązaniu między przeciwciałami a antygenami.
Pozwalają one na wykrywanie białek, patogenów, alergenów, toksyn i innych docelowych substancji biologicznych.
Reakcja wiązania jest oceniana elektrochemicznie, optycznie lub poprzez zmianę masy na powierzchni czujnika.
Aby uzyskać wiarygodne wyniki, należy w jak największym stopniu zminimalizować reakcje krzyżowe z podobnymi substancjami.

Bioczujniki oparte na kwasach nukleinowych

Bioczujniki oparte na kwasach nukleinowych wykrywają określone sekwencje DNA lub RNA.
W tym celu na powierzchni czujnika unieruchamia się pasujące fragmenty kwasu nukleinowego. Gdy sekwencja docelowa wiąże się z tą powierzchnią, generowany jest sygnał, który można poddać analizie.
Czujniki takie mogą służyć do wykrywania cech genetycznych, zanieczyszczeń biologicznych lub określonych mikroorganizmów.

Biosensory oparte na komórkach

Bioczujniki oparte na komórkach wykorzystują żywe komórki lub składniki komórkowe jako elementy rozpoznające.
Komórki reagują na określone substancje, warunki środowiskowe lub czynniki toksyczne. Następnie mierzone są zmiany w metabolizmie, wzroście lub innych funkcjach komórkowych.
Systemy oparte na komórkach znajdują zastosowanie w badaniach farmaceutycznych, toksykologii i analizie środowiskowej.

Biosensory elektrochemiczne

Biosensory elektrochemiczne przekształcają reakcję biologiczną lub chemiczną w sygnał elektryczny.
W zależności od konstrukcji mierzone są prądy elektryczne, napięcia, rezystancje lub impedancje.
Biosensory elektrochemiczne można projektować w kompaktowych formatach i często nadają się one do małych objętości próbek, a także do mobilnych lub zautomatyzowanych systemów pomiarowych.
Jednak na powierzchnię elektrody mogą oddziaływać osady, zanieczyszczenia lub składniki próbki.

Biosensory optyczne

Biosensory optyczne wykrywają zmiany w sygnałach świetlnych.
Mierzone parametry obejmują absorpcję, fluorescencję, luminescencję, odbicie oraz zmiany współczynnika załamania światła.
Biosensory optyczne mogą osiągać wysoką czułość i, w zależności od konstrukcji, mogą wykrywać kilka substancji jednocześnie.
Mętne, zabarwione lub silnie rozpraszające światło próbki mogą utrudniać pomiar.

Bioczujniki piezoelektryczne

Bioczujniki piezoelektryczne wykrywają zmiany masy na oscylującej powierzchni czujnika.
Gdy substancja docelowa wiąże się z powlekaną powierzchnią, zmienia się częstotliwość rezonansowa elementu czujnikowego.
Systemy takie nadają się do badania procesów wiązania. Na wynik pomiaru mogą wpływać temperatura, lepkość oraz niespecyficzne osady.

Zastosowania biosensorów

Diagnostyka medyczna

W diagnostyce medycznej biosensory są wykorzystywane do określania parametrów metabolicznych, biomarkerów, patogenów oraz innych parametrów istotnych z medycznego punktu widzenia.
Do najbardziej znanych zastosowań należą pomiary stężenia glukozy i mleczanu.
W zależności od konstrukcji biosensory mogą stanowić część aparatury laboratoryjnej, przenośnych urządzeń pomiarowych, pasków testowych lub systemów pomiarowych działających w trybie ciągłym.

Biotechnologia i fermentacja

W procesach biotechnologicznych biosensory monitorują składniki odżywcze, produkty przemiany materii oraz warunki procesowe.
Wartości pomiarowe, takie jak stężenie glukozy, mleczanu, glutaminianu, glutaminy czy tlenu, dostarczają informacji o przebiegu procesów fermentacyjnych i hodowli komórkowych.
Szybkie wykrywanie pozwala na wczesne rozpoznanie odchyleń i dostosowanie warunków procesu.

Badania farmaceutyczne

W badaniach farmaceutycznych biosensory są wykorzystywane do analizy substancji czynnych, białek, reakcji wiązania oraz odpowiedzi komórkowych.
Pozwalają one zautomatyzować serie pomiarów i wykrywać zmiany w procesach biologicznych w krótkim czasie.
Aby uzyskać porównywalne wyniki, konieczne są powtarzalne warunki próbkowania, odpowiednia kalibracja oraz kontrolowana powierzchnia czujnika.

Przemysł spożywczy i napojowy

Bioczujniki mogą wykrywać składniki, alergeny, mikroorganizmy, toksyny i pozostałości w żywności i napojach.
Są one wykorzystywane do kontroli surowców, procesów produkcyjnych oraz gotowych produktów.
Na wynik pomiaru mogą wpływać tłuszcze, białka, barwniki, cząstki stałe i inne składniki próbki. Dlatego czujnik musi być dostosowany do danej matrycy żywnościowej.

Analiza środowiskowa

W analizie środowiskowej biosensory służą do wykrywania zanieczyszczeń, mikroorganizmów, pestycydów i zanieczyszczeń organicznych.
Można analizować wodę, ścieki, ekstrakty glebowe i inne próbki środowiskowe.
Solidne obudowy czujników, prosta obsługa oraz niska wrażliwość na wahania temperatury stanowią zalety w zastosowaniach mobilnych.

Monitorowanie procesów przemysłowych

Bioczujniki można zintegrować z przemysłowymi systemami analitycznymi i procesowymi.
Monitorują one parametry biologiczne lub chemiczne w reaktorach, rurociągach, komórkach pomiarowych i zautomatyzowanych systemach pobierania próbek.
Odporność na media procesowe, odpowiednia trwałość oraz możliwość czyszczenia lub wymiany elementu czujnikowego mają kluczowe znaczenie dla ciągłości pracy.

Zalety biosensorów

• Selektywne wykrywanie określonych substancji biologicznych lub chemicznych
• Krótki czas pomiaru
• Niewielkie zapotrzebowanie na próbkę
• Kompaktowa konstrukcja
• Możliwość integracji z mobilnymi i zautomatyzowanymi systemami pomiarowymi
• Możliwość wykonywania pomiarów ciągłych lub powtarzalnych
• Dostępne różne elementy rozpoznawania biologicznego
• Różnorodne elektryczne i optyczne sygnały wyjściowe
• Zastosowanie w laboratoriach, środowiskach produkcyjnych oraz w analizie mobilnej
• Możliwość bezpośredniego monitorowania procesu

Ograniczenia biosensorów

• Biologiczne elementy rozpoznające mogą być wrażliwe na temperaturę, wilgotność, wartość pH i substancje chemiczne.
• Enzymy, przeciwciała, komórki i inne składniki biologiczne często charakteryzują się ograniczonym okresem przechowywania i żywotnością.
• Składniki próbki mogą gromadzić się na powierzchni czujnika i wpływać na wynik pomiaru.
• W zależności od elementu rozpoznającego podobne substancje mogą powodować reakcje krzyżowe.
• Kalibracja może ulegać zmianom podczas pracy i musi być regularnie sprawdzana.
• Niektóre biosensory są przeznaczone wyłącznie do jednorazowego użytku.
• Czyszczenie i regeneracja czujników wielokrotnego użytku może być czasochłonne.
• Wyniki laboratoryjne nie zawsze można bezpośrednio przenieść na rzeczywiste próbki lub procesy przemysłowe.
• Wydajność biosensora często zależy w dużym stopniu od składu próbki.
• Nie dla każdego zastosowania dostępne są znormalizowane wartości porównawcze od różnych producentów.

Ważne kryteria wyboru biosensorów

Substancja docelowa

Pierwszym krokiem jest określenie, która substancja lub grupa substancji ma być wykrywana.
Bioczujnik musi zawierać odpowiedni biologiczny element rozpoznający dla danego analitu.
Należy również uwzględnić ewentualne substancje towarzyszące oraz związki chemicznie podobne, ponieważ mogą one wpływać na wynik pomiaru.

Zakres pomiarowy i granica wykrywalności

Zakres pomiarowy musi w pełni obejmować spodziewane stężenia.
W przypadku bardzo niskich stężeń wymagana jest wystarczająco niska granica wykrywalności.
Jednakże szczególnie czuły czujnik niekoniecznie jest lepszy, jeśli odpowiedni zakres stężeń jest znacznie wyższy.

Selektywność

Selektywność opisuje, jak specyficznie biosensor reaguje na substancję docelową.
W złożonych próbkach podobne cząsteczki lub inne składniki mogą generować niepożądane sygnały.
Producent powinien zatem określić znane wrażliwości krzyżowe oraz typy próbek, dla których czujnik został przetestowany.

Czas reakcji

Wymagany czas reakcji zależy od zastosowania.
W przypadku ciągłego monitorowania procesu lub szybko zmieniających się pomiarów czujnik musi wykrywać zmiany w krótkim czasie.
W przypadku pojedynczych analiz laboratoryjnych dłuższy czas pomiaru może być dopuszczalny, jeśli poprawia to czułość lub dokładność.

Rodzaj próbki i jej przygotowanie

Krew, pożywki do hodowli komórkowej, żywność, ścieki i ciecze przemysłowe stawiają przed biosensorami różne wymagania.
Na pomiar mogą wpływać lepkość, zawartość cząstek stałych, barwa, temperatura i skład chemiczny.
Należy ustalić, czy próbka wymaga rozcieńczenia, filtracji, przygotowania lub regulacji temperatury.

Żywotność i stabilność podczas przechowywania

Biologiczne elementy rozpoznające mogą tracić aktywność podczas przechowywania i eksploatacji.
Należy uwzględnić okres przydatności do użycia, dopuszczalną temperaturę przechowywania, opakowanie, ochronę przed wilgocią oraz ewentualne wymagania dotyczące chłodzenia.
W przypadku czujników wielokrotnego użytku istotna jest również liczba możliwych cykli pomiarowych lub regeneracyjnych.

Czujnik jednorazowego użytku czy wielokrotnego użytku

Czujniki jednorazowego użytku ograniczają wymagania dotyczące czyszczenia oraz ryzyko przenoszenia zanieczyszczeń między próbkami.
Czujniki wielokrotnego użytku mogą być bardziej ekonomiczne w przypadku częstych pomiarów, ale wymagają odpowiednich procedur czyszczenia, kalibracji i regeneracji.
Wybór zależy od częstotliwości pomiarów, wymagań higienicznych oraz kosztu jednego pomiaru.

Sygnał wyjściowy i interfejsy

Sygnał wyjściowy musi być zgodny z istniejącym systemem pomiarowym lub sterującym.
W zależności od typu biosensora generowane są sygnały prądowe, napięciowe, częstotliwościowe, cyfrowe lub optyczne.
W przypadku zastosowań zautomatyzowanych istotne znaczenie mają odpowiednie interfejsy, stabilna transmisja danych oraz integracja z oprogramowaniem do analizy wyników.

Kalibracja

Bioczujniki wymagają odpowiedniej kalibracji pod kątem zamierzonego zakresu pomiarowego i rodzaju próbki.
Należy uwzględnić częstotliwość kalibracji, roztwory wzorcowe, kompensację temperatury oraz ewentualną dryft.
Kalibrację należy udokumentować i zapewnić jej identyfikowalność, aby zagwarantować porównywalność wyników.

Warunki środowiskowe i procesowe

Na działanie czujników mogą wpływać temperatura, ciśnienie, wilgotność, wibracje, zakłócenia elektromagnetyczne oraz agresywne media.
W zastosowaniach przemysłowych obudowy, uszczelnienia, powierzchnie czujników i połączenia elektryczne muszą być zaprojektowane z uwzględnieniem odpowiednich warunków.

Czyszczenie i wymiana

W przypadku biosensorów wielokrotnego użytku należy określić, w jaki sposób można oczyścić lub zregenerować powierzchnię czujnika.
Środki czyszczące i procedury dezynfekcji nie mogą uszkodzić biologicznego elementu rozpoznającego.
Wymienny element czujnikowy może uprościć konserwację i serwisowanie.

Podsumowanie

Bioczujniki łączą biologiczne elementy rozpoznające z przetwornikami elektrycznymi, optycznymi, termicznymi lub mechanicznymi.
W zależności od zastosowania stosuje się biosensory enzymatyczne, immunologiczne, oparte na kwasach nukleinowych, komórkowe, elektrochemiczne, optyczne lub piezoelektryczne.
Typowe zastosowania obejmują diagnostykę medyczną, biotechnologię, badania farmaceutyczne, analizę żywności, monitorowanie środowiska oraz kontrolę procesów przemysłowych.
Główne kryteria wyboru obejmują substancję docelową, zakres pomiarowy, selektywność, granicę wykrywalności, czas reakcji, rodzaj próbki, żywotność oraz interfejs.
Ponieważ biologiczne elementy rozpoznające mogą być wrażliwe na warunki środowiskowe i starzenie się, podczas zakupu należy uwzględnić kwestie przechowywania, kalibracji, czyszczenia i wymiany.

Bioczujniki są dostępne u różnych producentów i dostawców. Wyczerpujące informacje na temat producentów i dostawców bioczujników z całego świata można znaleźć na stronie Exportpages.