ไบโอเซนเซอร์ หลักการทั่วไปและตัวอย่างการประยุกต์ใช้

1. ไบโอเซนเซอร์ หลักการทั่วไปและตัวอย่างการประยุกต์ใช้ รศ.ดร. จรูญ จักร์มุณี ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ E-mail: jakmunee@gmail.com

2. Biosensors • A biosensor is an analytical device for the detection of an analyte that combines a biological component with a physicochemical detector component. It can directly measure the analyte in a complex sample matrix. It consists of 3 parts: • the sensitive biological element(biological material (e.g. tissue, microorganisms, organelles, cell receptors, enzymes, antibodies, nucleic acids, etc.), a biologically derived material or biomimic) The sensitive elements can be created by biological engineering. • the transducer or the detector element (works in a physicochemical way; optical, piezoelectric, electrochemical, etc.) that transforms the signal resulting from the interaction of the analyte with the biological element into another signal (i.e., transducers) that can be more easily measured and quantified; • associated electronics or signal processors that are primarily responsible for the display of the results in a user-friendly way. This sometimes accounts for the most expensive part of the sensor device, however it is possible to generate a user friendly display that includes transducer and sensitive element.

3. Biosensors • Biosensor คือเครื่องตรวจวัดชีวภาพเป็นเครื่องมือวิเคราะห์สำเร็จรูปประเภทที่มีสารชีวภาพ (biogical substance) และทรานส์ดิวเซอร์ฟิสิกส์เคมี (physicochemical transducer) • ไบโอเซนเซอร์ ประกอบด้วยไบโอรีเซฟเตอร์(bioreceptor/ Biological sensing elements) และตัวแปลงสัญญาณ (transducer) ไบโอรีเซฟเตอร์เป็นโมเลกุลชีวภาพที่มีความสามารถในการจดจำตัวถูกวิเคราะห์ (target analyte) ได้อย่างเฉพาะเจาะจง ได้แก่ เอนไซม์ กรดนิวคลีอิก antibody และโปรตีนรีเซฟเตอร์ (receptor protein) ฯลฯ โดยไบไอรีเซฟเตอร์ถูกตรึงด้วยวิธีทางกายภาพหรือวิธีการทางเคมีกับตัวแปลงสัญญาณ (transducer) • ไบโอเซนเซอร์เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีการใช้งานมากมายในหลายๆ ด้าน เช่น การแพทย์ อุตสาหกรรม การทหาร และสิ่งแวดล้อม เป็นต้น

4. หลักการตรวจวิเคราะห์โดยไบโอเซนเซอร์หลักการตรวจวิเคราะห์โดยไบโอเซนเซอร์

5. Mechanism of a Biosensor Solution NO RECOGNITION RECOGNITION NO Measurable Signal Receptor Measurable Signal Transducer Thin selective membrane =Analyte

6. Main components of biosensors • Bioreceptor • Transducer • Electronic and Readout device

7. Characteristics of Biosensor • Sensitivity • Calibration (range) • Limit of detection • Linear dynamic range • Response time • Selectivity (interference) • Reproducibility

9. Bioreceptor • Enzyme based biosensor • Pure enzyme • Tissue and bacteria • Affinity biosensor • Immunosensor • DNA hybridization biosensor • Host – guest receptor based sensor • Molecularly imprinted polymer based sensor

10. Component of Biosensor • Biological sensing elements • biocatalyst Analyte + Biological element = Chemical changes • affinity binding Analyte + Biological element = No chemical changes

11. Biological sensing elements • Biocatalyst • enzyme • enzyme + cofactors • multi-enzymes • sequencing of enzyme( amplification, substrate recycling, remove interference and inhibition) • microorganisms • tissue • Organelles • Nucleic acid • Recepter

12. Biological sensing elements – whole cell Advantages compare to enzyme Disadvantages - A cheaper source of enzyme than isolated enzymes - Longer response time - No enzyme extraction-purification - Less selectivity - Do not require co-factor - Long lifetime - Good for multi-steps process

13. Tissue as bioreceptor

14. Principle of enzyme biosensor • S + C P + C’ enzyme

15. Kinetic of enzyme

16. Principle of immunosensor

17. Principle of DNA sensor

18. Anal. Chem. 72(2000)1334.

19. Immobilization • Aim Produce an immobilized biologically active material on or near the transducer surface which responses only on to the present of one or a group of materials or substances requiring detection • Criteria • retain substantial biological activity • long-term stability and durability

20. Immobilization of biological sensing elements • Support materials • silica gel • controlled pore glass • alumina • nylon • gold • silver

21. Immobilization • Parameters affect on immobilization • pH • temperature • ionic strength • chemical composition

22. Methods for immobilization

23. Immobilization The principle method • physical method • Adsorption • Retention by membrane • Retention by gel matrix • Electro polymerization • Incorporation into composite electrode • chemical method • covalent binding • cross-linking

24. Immobilization:Physical method • Support materials for Adsorption • alumina • porous glass • diatomaceous earth • cellulose • ion exchange resin • silica gel • charcoal • clay • activated carbon • kaolin • collagen

25. Immobilization:Physical method Adsorption: the biological components attach to the support material by adsorption force. AdvantagesDisadvantages - No change of the biological component - highly dependent on pH, temp, ionic strength - No use of the reagents - no specific binding - Simple and cheap

26. Immobilization:Physical method Retention by membrane: The inert membrane is used to trap the biological sensing elements on the transducer. • Membrane • polycarbonate • cellulose acetate • semi-permeable membrane

28. Immobilization:Physical method Retention by membrane: AdvantagesDisadvantages - Adaptable - Analyst size limitation - Close attachment

29. Immobilization:Physical method Retention by gel matrix: the biological components are entrapped within the gel matrix. • Gel • alginate gel • k-Carrageen an • polyacrylamide • Chitosan

30. Immobilization:Physical method Retention by gel matrix: Advantages Disadvantages - Simple - Large barriers - Cheap - A loss of biological component

31. Transducer

32. Transducer Transducer converts physicochemical properties to electrical signal, e.g. current, voltage, conductivity, frequency, etc. An electronic signal is proportional to the concentration of a target analyte

33. Biosensor System Biological sensing element Signal Transducer Analyte • Detection of product or reactant from biocatalyst reaction • Detection of binding interaction in affinity sensor

34. Type of transducer • Electrochemical transducer • Optical transducer • Thermometric transducer • Piezoelectric transducer

35. Electrochemical transducer • Potentiometry : measure E • Amperometry : apply E, measure I • Conductimetry : measure the change in conductance • Capacitive measurement : measure change of capacitance at electrode surface

36. Amperometric sensor

38. Mediator • Electron transferring agent • Participate in redox reaction with the biological sensing element • Help in rapid electron transfer Gluconic acid 2 Ferrocene (ox) GOD (red) 2 e- transducer 2 Ferrocene (red) GOD (ox) Glucose

40. Microarray sensor DNA field-effect transistor (DNAFET) is a field-effect transistor which uses the field-effect due to the partial charges of DNA molecules to function as a biosensor.

41. Sucrose + H2O Thermometric transducer Glucose + Fructose + ∆H Thermister : Thermal + Resister Epoxy coat Tinned Alloy Leads

42. Thermometric System

43. Thermometric System

44. Optical transducer Core Cladding Coating

45. Material Electrode Crystal • Quartz • Tourmaline • Rochelle salt • Ceramics Biological material Piezoelectric transducer Mechanical stress Electricity (Voltage)

46. surface plasmon resonance • Many optical biosensors based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR) are evanescent wave techniques. This utilises a property of gold and other materials; specifically that a thin layer of gold on a high refractive index glass surface can absorb laser light, producing electron waves (surface plasmons) on the gold surface. This occurs only at a specific angle and wavelength of incident light and is highly dependent on the surface of the gold, such that binding of a target analyte to a receptor on the gold surface produces a measurable signal.

47. surface plasmon resonance

48. การใช้งานของไบโอเซนเซอร์การใช้งานของไบโอเซนเซอร์ 1. การแพทย์ การประยุกต์เทคโนโลยีตัวรับส่งสัญญาณ (sensor) มาใช้ในวินิจฉัยโรคต่างๆ ที่เกิดจากแบคทีเรีย, ไวรัส การวัดปริมาณ gas, ion และสารเมตาบอไลท์ในเลือด และการประเมินสภาวะของสารเมตาบอไลท์ในผู้ป่วยที่มีการเปลี่ยนแปลงระดับสารชีวเคมีอย่างรวดเร็ว เช่น ผู้ป่วยโรคเบาหวาน

49. การใช้งานของไบโอเซนเซอร์การใช้งานของไบโอเซนเซอร์ 2. อุตสาหกรรม มีการใช้ไบโอเซนเซอร์ในการควบคุมกระบวนการผลิต โดยเฉพาะในกระบวนการหมักและการวิเคราะห์การปนเปื้อนการควบคุมถังหมักวิธีการควบคุมถังหมัก1. Off-line distant - การควบคุมผ่านศูนย์ปฏิบัติการ2. Off-line local - การควบคุมอย่างละเอียดด้วยช่วงระยะเวลาสั้นๆ3. On-line - ควบคุมและแสดงผล ประโยชน์ที่ได้รับสำหรับเทคโนโลยีการควบคุมกระบวนการผลิตคือปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ เพิ่มผลิตผล ลดปัญหาการผลิตที่เกิดจากความแปรปรวนของวัตถุดิบ ลดการสูญเสียผลิตภัณฑ์และเป็นการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

50. การใช้งานของไบโอเซนเซอร์การใช้งานของไบโอเซนเซอร์ 3. การทหาร ซึ่งต้องการการวิเคราะห์ที่ รวดเร็วสำหรับการตรวจสอบอันตรายที่ไม่ทราบในสนามรบ เช่น การวิเคราะห์แก๊ส sarin ซึ่งเป็นแก๊สที่มีผลต่อระบบประสาท mustard gas และการทดสอบ dipstick ซึ่งพัฒนาโดยกองทัพสหรัฐสำหรับการทดสอบสารต่างๆ เช่น Q fever สารที่มีผลต่อระบบประสาท ฝนเหลืองจากเชื้อรา เป็นต้น โดยอาศัย การทำงานที่เฉพาะของ monoclonal antibody การวิเคราะห์วัตถุระเบิดด้วยวิธี photoimmunoassay โดยการใช้ luciferase สามารถตรวจสอบสาร TNT ที่มีความเข้มข้นต่ำถึง 10-18 M และการใช้ acetylcholine receptor สำหรับการตรวจสอบสารพิษ