Campos de aplicación de los biosensores
Tiene amplias perspectivas de aplicación en diversos sectores de la economía nacional como alimentos, productos farmacéuticos, químicos, pruebas clínicas, biomedicina y monitoreo ambiental. En particular, la combinación de la biología molecular con disciplinas y tecnologías emergentes como la microelectrónica, la optoelectrónica, la tecnología de microfabricación y la nanotecnología está cambiando el rostro de la medicina tradicional y las ciencias ambientales, la zoología y la botánica. La investigación y el desarrollo de biosensores se han convertido en un nuevo punto caliente en el desarrollo de la ciencia y la tecnología en el mundo, formando una parte importante de las industrias de alta tecnología emergentes en el siglo XXI y teniendo una importancia estratégica importante. Las aplicaciones de los biosensores en el análisis de alimentos incluyen la determinación y análisis de ingredientes alimentarios, aditivos alimentarios, venenos nocivos y frescura de los alimentos.
⑴Análisis de la composición de los alimentos En la industria alimentaria, el contenido de glucosa es un indicador importante de la madurez y vida útil de la fruta. El biosensor de electrodo enzimático desarrollado se puede utilizar para analizar la glucosa en licores, jugo de manzana, mermeladas y miel. Otros azúcares, como el azúcar y la maltosa en la cerveza y el mosto, también cuentan con sensores de medición maduros.
Niculescu et al. desarrollaron un biosensor amperométrico que puede usarse para detectar el contenido de etanol en bebidas. El biosensor es un ligando alcohol deshidrogenasa incrustado en polietileno, y diferentes proporciones de enzima a polímero afectan el rendimiento del biosensor. En este experimento, el límite de detección de etanol por este biosensor fue 65438±0 nmol/l
⑵Análisis de aditivos alimentarios
Los sulfitos se utilizan comúnmente como agentes blanqueadores y conservantes en la industria alimentaria. El electrodo de enzima de dióxido de azufre de tipo actual hecho de sulfito oxidasa como material sensible se puede utilizar para medir el contenido de sulfito en alimentos. El rango lineal de medición es 0 ~ 6 mol/L de cuarta potencia negativa, como bebidas, pudines, Edulcorantes en alimentos como el vinagre. Guibault et al. utilizaron asparaginasa combinada con un electrodo de amoníaco para la medición, y el rango lineal fue de 2×10 quinta potencia negativa a 1×10 mol cúbico negativo/L. Además, también hay informes de biosensores para medir pigmentos y emulsionantes. .
⑶Análisis de residuos de pesticidas
El problema de los residuos de pesticidas en los alimentos ha atraído cada vez más atención. Los gobiernos de todo el mundo están fortaleciendo constantemente la detección de residuos de pesticidas en los alimentos.
Yamazaki et al. inventaron un biosensor amperométrico que utiliza enzimas artificiales para medir pesticidas organofosforados. Usando hidrolasa del pesticida organofosforado, el límite de detección de p-nitrofenol y dietilfenol es de 10 menos el séptimo mol de potencia, y solo toma 4 minutos a 40°C. Albareda et al. utilizaron el método de reticulación de glutaraldehído para inmovilizar la acetilcolinesterasa en la superficie del electrodo de pasta de carbono de alambre de cobre y crearon un biosensor que puede detectar paraoxón en una concentración de 10 y carbofurano en una concentración de 10 11 mol/L. Se puede utilizar para detectar directamente los residuos de dos pesticidas en muestras de agua del grifo y jugo.
(4) Inspección de microorganismos y toxinas
La presencia de microorganismos patógenos en los alimentos provocará un gran daño a la salud de los consumidores. Hay muchos tipos de toxinas en los alimentos, la mayoría de las cuales son cancerígenas, teratogénicas y mutagénicas. Por ello, es muy importante reforzar la detección de microorganismos patógenos y toxinas en los alimentos.
Comer carne de res es susceptible a la infección por E. coli 0157.H7, por lo que es muy necesario detectar y defenderse contra E. coli 0157 y otras bacterias. El H7 es rápido y receptivo. El biosensor de fibra óptica desarrollado por Kramerr et al. puede detectar patógenos (como E. coli 0157.H7) en minutos, mientras que los métodos tradicionales requieren varios días. Este biosensor detecta y recupera patógenos de muestras, permitiéndoles crecer de forma independiente en medios de cultivo en solo 1 día, en comparación con los 4 días de los métodos tradicionales.
También existe un inmunobiosensor rápido y sensible que se puede utilizar para determinar la cantidad residual de dihidroabamectina en la leche. Se basa en la respuesta del genoma citoplasmático y transmite la señal a través del sistema óptico. El límite de detección alcanzado fue de 16,2 ng/ml.
Se pueden analizar 20 muestras de leche en un día.
⑸ Pruebas de frescura de los alimentos
En la industria alimentaria, las pruebas de frescura de los alimentos, especialmente la frescura del pescado, es un indicador importante para evaluar la calidad de los alimentos. Mol/L et al. utilizaron xantina nucleósido oxidasa como material biológicamente sensible, combinado con un electrodo de peróxido de hidrógeno, para medir el monofosfato de inosina (IMP), la inosina (HXR) y la hipoxantina (HXR) producidas durante el proceso de degradación del pescado. concentración para evaluar la frescura del pescado. El rango lineal es de 5x10 a menos 10. Los problemas de contaminación ambiental son cada vez más graves y la gente está ansiosa por tener un instrumento que pueda monitorear los contaminantes de manera continua, rápida y en línea. Los biosensores satisfacen las necesidades de las personas. Se ha utilizado un número considerable de biosensores para el seguimiento ambiental.
(1) Monitoreo del medio ambiente acuático
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es un indicador integral ampliamente utilizado para caracterizar el grado de contaminación orgánica. La demanda bioquímica de oxígeno es también uno de los indicadores más utilizados e importantes en el monitoreo de la calidad del agua y el control de operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales. La determinación de DBO convencional requiere un ciclo de cultivo de 5 días, es complicada de operar, tiene poca repetibilidad, requiere mucho tiempo y mano de obra y no es adecuada para el monitoreo in situ. SiyaWakin et al. utilizaron Trichosporon y Bacillus para producir sensores microbianos de DBO. El biosensor de DBO puede medir con precisión las concentraciones de glucosa y glutamato simultáneamente. El rango de medición es de 0,5 a 40 mg/L y la sensibilidad es de 5,84 nanómetros/mg/L. El biosensor tiene buena estabilidad y la desviación estándar de 58 experimentos es de sólo 0,0362. El tiempo de reacción requerido es de 5 a 10 minutos.
El ion nitrato es uno de los principales contaminantes del agua. Si se añade a los alimentos, será extremadamente perjudicial para la salud humana. Zatsll et al. propusieron un método para detectar iones nitrato utilizando un dispositivo transistor de efecto de campo funcional enzimático integrado. El límite de detección del dispositivo para iones nitrato es 7x 10-5 moles, el tiempo de respuesta es inferior a 50 s y el tiempo de funcionamiento del sistema es de aproximadamente 85 s.
Además, Han et al. inventaron un nuevo sensor microbiano que se puede utilizar para medir el tricloroetileno. Este sensor inmoviliza la bacteria Pseudomonas JI104 en una membrana de politetrafluoroetileno (diámetro: 25 mm, tamaño de poro: 0,45 μm). Luego se montó la película sobre un electrodo de ion cloruro. El electrodo de ion cloruro (7024L, DKK, Japón) con membrana AgCl/Ag2S y el electrodo de referencia Ag/AgCI se conectaron al medidor de iones (IOL-50, DKK, Japón) y se registraron los cambios de voltaje. La concentración de tricloroetileno se determinó en comparación con la curva estándar. El rango de concentración lineal del sensor es de 0,1~4 mg/L/L, que es adecuado para detectar aguas residuales industriales. En condiciones optimizadas, su tiempo de respuesta es inferior a 10 minutos.
(2) Monitorización del entorno atmosférico
El dióxido de azufre (SO2) es el principal causante de la formación de niebla de lluvia ácida, y el método de detección tradicional es muy complicado. Martyr et al. inmovilizaron lípidos subcelulares (microsomas hepáticos que contienen sulfito oxidasa) en membranas de acetato de celulosa para crear un biosensor de tipo corriente con un electrodo de oxígeno y detectaron lluvia ácida y niebla ácida formada por SO2. lOmin puede obtener resultados de prueba estables.
Los óxidos de nitrógeno no son sólo una de las causas de la lluvia ácida y la niebla, sino también los culpables del smog fotoquímico. Charles et al. utilizaron un sensor microbiano compuesto por una membrana porosa permeable, bacterias nitrificantes inmovilizadas y un electrodo de oxígeno para medir el contenido de nitrito en la muestra para inferir la concentración de óxidos de nitrógeno en el aire. El límite de detección es 0,01xl0 menos la sexta potencia Mo1/L. Entre varios biosensores, los sensores microbianos tienen las características de equipos simples y de bajo costo, que no están limitados por la turbiedad del líquido de fermentación y pueden eliminar la interferencia de sustancias que interfieren durante la fermentación. proceso. . Por lo tanto, los sensores microbianos se utilizan ampliamente en la industria de la fermentación como una herramienta de medición eficaz.
(1) Determinación de materias primas y metabolitos
Los sensores microbiológicos se pueden utilizar para medir materias primas (como melaza, ácido acético, etc.) y metabolitos (como cefalosporinas, ácido glutámico, ácido fórmico, alcoholes, ácido láctico, etc.) en la industria de la fermentación. El dispositivo de medición consta esencialmente de electrodos microbianos y electrodos de oxígeno adecuados.
El principio es utilizar la asimilación de microorganismos para consumir oxígeno y medir la disminución de oxígeno midiendo el cambio en la corriente del electrodo de oxígeno, midiendo así la concentración del sustrato.
En 2002, Tkac et al. utilizaron un biosensor celular de glucosa oxidasa mediado por ferricianuro para medir el contenido de etanol en la industria de la fermentación. La medición se puede completar en 13 segundos y la sensibilidad de medición es de 3,5 Na/mm. El límite de detección de este sensor es de 0,85 nM, el rango de medición es de 2 ~ 270 nm y la estabilidad es muy buena. Durante 8,5 horas de detección continua, la sensibilidad no disminuyó.
⑵ Determinación del número de células microbianas
Es muy importante determinar el número de células en el caldo de fermentación. El número de células (concentración celular) es el número de células por unidad de caldo de fermentación. En circunstancias normales, es necesario tomar una determinada muestra de caldo de fermentación y medirla con el método de microconteo, que requiere mucho tiempo y no es adecuado para la medición continua. Existe una necesidad urgente de un método simple y continuo para determinar directamente el número de células en los controles de fermentación. El estudio encontró que en la superficie del ánodo (Pt), las bacterias pueden oxidarse directamente y generar corriente eléctrica. Este sistema electroquímico se puede utilizar para la determinación del número de células. Los resultados fueron similares a los medidos mediante el recuento celular convencional. Utilizando este sensor electroquímico de número de células microbianas, se puede lograr una medición continua en línea de la concentración bacteriana. Los biosensores desempeñan un papel cada vez más importante en el campo médico. La tecnología de biosensores no sólo proporciona un nuevo método rápido y sencillo para la investigación médica básica y el diagnóstico clínico, sino que también tiene amplias perspectivas de aplicación en la medicina militar debido a su especificidad, sensibilidad y rápida respuesta.
(1) Medicina clínica
En medicina clínica, los electrodos enzimáticos son los sensores más desarrollados y más utilizados y se han utilizado con éxito para medir el azúcar en sangre, el ácido láctico, la vitamina C y el ácido úrico. ácido, y urea, ácido glutámico, transaminasas y otras sustancias. El principio es fijar la enzima en la membrana biosensible. Si la muestra de prueba contiene el sustrato enzimático correspondiente, puede reaccionar para producir una sustancia de información aceptable y la respuesta del electrodo indicador se puede convertir en una señal eléctrica. A partir de este cambio se puede determinar la presencia y cantidad de una sustancia. Los sensores microbianos se pueden fabricar utilizando microorganismos con diferentes propiedades biológicas en lugar de enzimas. Los sensores microbianos utilizados clínicamente incluyen glucosa, acetato, colesterol, etc. Si se selecciona un tejido adecuado que contiene una determinada enzima para reemplazar la enzima correspondiente, el sensor se denomina sensor de bioelectrodo. Por ejemplo, se pueden utilizar sensores fabricados con riñón de cerdo, hígado de conejo, hígado de res, hojas de remolacha, calabaza y pepino para detectar glutamina, guanina, peróxido de hidrógeno, tirosina, vitamina C y cistina, respectivamente.
El sensor de ADN es uno de los biosensores más reportados en la actualidad, y su mayor ventaja es su aplicación en el diagnóstico clínico de enfermedades. Puede ayudar a los médicos a comprender la aparición y el desarrollo de enfermedades a partir de los niveles de ADN, ARN, proteínas y sus interacciones, y ayudar a diagnosticar y tratar enfermedades de manera oportuna. Además, la detección de drogas también es un punto destacado de los sensores de ADN. Brabec et al. utilizaron sensores de ADN para estudiar el mecanismo de acción de fármacos anticancerígenos comunes a base de platino y medir las concentraciones de estos fármacos en la sangre.
(2) Medicina militar
En la medicina militar, la detección rápida y oportuna de biotoxinas es una medida eficaz para defenderse de las armas biológicas. Se han utilizado biosensores para monitorear una variedad de bacterias, virus y sus toxinas, como Bacillus anthracis, Yersinia pestis, virus de la fiebre hemorrágica del Ébola, toxoide botulínico, etc.
En 2000, el ejército estadounidense informó que había desarrollado un inmunosensor para la detección de cuatro agentes de guerra biológica, entre ellos la enterotoxina estafilocócica B, la ricina, la tularemia y los bacilos de la toxina botulínica. El tiempo de detección es de 3 ~ lomin y la sensibilidad es de 10, 50 mg/L, 5x10 a la quinta potencia y 5x10 a la cuarta potencia ufc/ml. Song et al. desarrollaron un biosensor para detectar el virus del cólera. El biosensor puede detectar la toxina del cólera por debajo de -5 mol/L en 30 minutos, tiene alta sensibilidad y selectividad y es fácil de operar. Este método se puede utilizar para detectar toxinas proteicas y patógenos con múltiples sitios de reconocimiento de señales.
Además, en ciencia forense, los biosensores se pueden utilizar para la identificación de ADN y pruebas de paternidad.