Biocapteur

Définition

Un biocapteur, parfois un biodétecteur, est un dispositif analytique particulier constitué d'un élément sensible biologiquement actif (enzymes, cellules, anticorps...) et d'une partie électronique. Le principe de fonctionnement est simple : l'élément biologique interagit avec le substrat à analyser. Il est associé à un système de transduction (capteur) convertit la réponse biochimique en un signal électrique. Le capteur peut être associé à un biosenseur ou bioindicateur.

⭐ Les biocapteurs sont des capteurs équipés de composants biologiques. Il peut y avoir présence d'un organisme indicateur.

Un biocapteur pour le glucose dans le sang :

Les bandelettes réactives au glucose sont des biocapteurs typiques. Ici, la teneur en glucose du sang appliqué est déterminée ampérométriquement.

Explications

Un exemple commun d'un biocapteur est le glucomètre utilisé par les diabétiques pour mesurer la concentration de glucose dans le sang (glycémie). L'élément sensible de ce biocapteur est une enzyme, la glucose oxydase, qui convertit le glucose en acide gluconique.

✅ Des biocapteurs permettent l'observation in vivo des changements dans le métabolisme des plantes.

Structure et principe

Les biocapteurs sont basés sur le couplage spatial direct d'un système biologiquement actif immobilisé avec un transducteur de signal (transducteur) et un amplificateur électronique. Pour la détection des substances à déterminer, les biocapteurs utilisent des systèmes biologiques à différents niveaux d'intégration.

De tels systèmes biologiques peuvent, pour. Comme anticorps, enzymes, organites ou cultures cellulaires. Le système biologique immobilisé du biocapteur interagit avec l'analyte. Cela conduit à des changements physico-chimiques, tels que les changements dans l'épaisseur de la couche, les indices de réfraction, l'absorption de la lumière ou la charge électrique. Ces changements peuvent être faits au moyen du transducteur, par exemple, les capteurs optoélectroniques, les électrodes ampérométriques et potentiométriques ou les transistors à effet de champ spéciaux (transistor à effet de champ chimiquement sensible) peuvent être déterminés. Après la mesure, l'état initial du système doit être restauré. Un problème dans le développement des biocapteurs est la corrosion du biocapteur par un revêtement avec des cellules (biocorrosion) ou par le milieu de culture. Par exemple, des milieux de culture cellulaire typiques pour des cultures de cellules eucaryotes corrodent le silicium à une vitesse d'environ 2 nm/h.

La mesure d'un analyte au moyen d'un biocapteur se fait donc en trois étapes. Premièrement, la reconnaissance spécifique de l'analyte par le système biologique du biocapteur. Par la suite, la transformation des changements physico-chimiques résultant des interactions de l'analyte avec le récepteur a lieu dans un signal électrique. Ce signal est ensuite traité et amplifié. La conversion du signal et l'électronique peuvent être combinées, par exemple, dans les systèmes de microcapteurs basés sur CMOS. Sa sélectivité et sensibilité tire un biocapteur du système biologique utilisé.

Biocapteurs piézoélectriques

La fréquence vibratoire d'un quartz est inversement proportionnelle à la racine de sa masse. Un cristal de quartz recouvert d'enzymes, d'anticorps ou d'autres liants peut ainsi être utilisé comme microbalance. Un cas particulier particulièrement sensible (sensible) sont les capteurs d'ondes de surface (capteurs SAW, ondes acoustiques de surface). Ici, deux revêtements sont appliqués à un quartz piézoélectrique, qui servent d'émetteur ou de récepteur et émettent des ondes acoustiques de surface acoustiques après une stimulation électrique.

Les réactions immunitaires provoquent un changement de la surface par la liaison d'un antigène à un anticorps et donc un changement de la fréquence de résonance de l'onde.

Biocapteurs optiques

Avec les biocapteurs optiques, on poursuit en pratique surtout la teneur en oxygène dans les liquides. Le principe de mesure est basé sur la trempe de fluorescence. Le dispositif de mesure utilisé est un guide d'onde optique, à la fin duquel un indicateur est appliqué. Les propriétés de luminescence ou d'absorption de cet indicateur dépendent de paramètres chimiques, tels que la concentration d'oxygène. Une autre méthode utilisable est basée sur l'évanescence, qui existe dans la réflexion totale à la transition de optiquement plus dense dans un milieu visuellement plus mince.

Dans ce cas, la lumière de fluorescence peut être couplée dans le guide d'onde optique par un analyte marqué par fluorescence et une déclaration sur la concentration peut être faite à ce sujet. Cette méthode est utilisée pour déterminer les antigènes par réaction avec un anticorps spécifique à la surface d'un guide de lumière. La méthode peut être rendue plus sensible en appliquant un mince film métallique à la surface du guide de lumière. Dans ce cas, les fluctuations de densité des porteurs de charge libres interviennent dans le film métallique (plasmon). Dans un tel capteur selon le principe de la résonance plasmonique de surface, le film métallique est en outre revêtu de dextranes auxquels des anticorps spécifiques de l'analyte peuvent être liés.

Détection électrochimique

En ampérométrie, le courant est mesuré dans deux électrodes de mesure dans une chambre de mesure alors que la tension est maintenue constante. Il convient aux produits métaboliques qui sont facilement oxydés ou réduits. Souvent, on utilise des médiateurs, qui sont des couples rédox, qui interviennent indirectement dans l'oxydation du substrat et servent au transfert d'électrons. Si par exemple, lorsqu'un substrat à déterminer est oxydé par FAD, qui est la coenzyme de la plupart des oxydases, réduisant FAD en FADH, le FADH est ensuite réoxydé en FAD par la forme oxydée du médiateur. La forme réduite résultante du médiateur est de nouveau oxydée par voie anodique. En enregistrant les courbes courant-tension, des déclarations peuvent être faites sur le comportement redox et la concentration du substrat réel. En tant que médiateurs, comme l'hydroquinone ou des dérivés de ferrocène sont utilisés. L'avantage des médiateurs est que vous pouvez définir une tension beaucoup plus faible et ainsi éviter les réactions secondaires indésirables. Les biocapteurs ampérométriques sont, par exemple, utilisés pour la détermination du glucose, du cholestérol, des acides gras et des L–aminoacides avec les enzymes correspondantes comme oxydases.

La potentiométrie est utilisée dans les produits de réaction ioniques. La détermination quantitative de ces ions est basée sur leur potentiel électrique sur une électrode de mesure, qui est occupée pour la détermination d'un substrat avec une enzyme appropriée. Pour les hydrolases, par exemple. Comme l'uréase, le changement de pH ou le changement des ions ammonium ou des ions bicarbonate est déterminé. Les électrodes de mesure fréquemment utilisées sont les transistors à effet de champ (ISFET) sensibles aux ions ou les électrodes d'acides revêtues d'oxyde métallique (MOSFET). L'électrode de référence utilisée est une électrode du même type mais sans enzyme. La méthode potentiométrique est utilisée pour déterminer l'urée, la créatinine ou les acides aminés.

Si des électrodes sélectives aux ions sont recouvertes d'une enzyme, elles fonctionnent selon le même principe que décrit en potentiométrie.

Détection interférométrique

Dans une détection interférométrique, les biomolécules interagissent avec une couche de polymère dont la variation d'épaisseur est suivie d'une spectroscopie d'interférence réflectométrique.

Applications

Le premier système de mesure, qui peut être décrit comme un biocapteur selon la définition donnée, a été développé en 1962 par Clark et Lyons. Un système de mesure a été décrit qui permet la détermination du glucose dans le sang pendant et après la chirurgie. Ce biocapteur était éventuellement constitué d'une électrode à oxygène selon Clark ou d'une électrode de pH en tant que transducteur, devant laquelle l'enzyme glucose oxydase était appliquée entre deux membranes. La concentration de glucose pourrait être déterminée comme un changement du pH ou comme un changement de la concentration en oxygène due à l'oxydation du glucose sous l'action catalytique de l'enzyme glucose oxydase.

Dans cette construction, le matériau biologique est pris en sandwich entre deux membranes, ou le système biologique est appliqué à une membrane et collé directement à la surface du transducteur. Les domaines d'application pour les biocapteurs dans l'analyse de l'eau H2O et des eaux usées peuvent être subdivisés en biocapteurs pour la détermination des composants individuels, biocapteurs pour la détermination de la toxicité et mutagénicité ainsi que dans les biocapteurs pour la détermination de la demande biochimique en oxygène.

Les biocapteurs pour la détermination des protéines ont été réalisés avec des capteurs à effet de champ au silicium (appelés ChemFET). Ils permettent l'analyse sans marqueur de protéines dans le domaine de l'analyse des protéines par des méthodes in situ, car ils détectent la liaison de la protéine via la quantité de charge intrinsèque de la protéine par effet de champ.

Le contenu bactérien des eaux de baignade ou des eaux usées peut être déterminé au moyen d'un biocapteur. Les anticorps contre certaines espèces bactériennes sont attachés à une membrane vibrante. Si les bactéries appropriées flottent devant le capteur, elles se fixent sur les anticorps et ralentissent les vibrations de la membrane. Si les vibrations tombent en dessous d'une certaine valeur, une alarme est déclenchée.

La concentration de pénicilline dans un bioréacteur, dans lequel des souches fongiques sont cultivées, peut être déterminée avec un biocapteur. Le composant biologique du capteur utilisé dans ce cas représente l'enzyme acylase Cette enzyme clivant la pénicilline est placée sur une membrane qui repose sur une électrode de pH. Si la concentration de pénicilline dans le milieu augmente maintenant, l'enzyme clive des quantités de plus en plus grandes d'un acide, l'acide phénylacétique. En conséquence, le pH à l'électrode change. Il est donc maintenant possible conclure du pH sur la concentration de pénicilline.

Les biocapteurs comprennent également la spectroscopie de résonance plasmonique de surface. Ici, la liaison des substances au moyen de la détection de la plasmone est mesurée.

Une nouvelle tendance de surveillance des aliments est basée sur des nanocapteurs. La fluorescence des nanoparticules qui sont dans un milieu nutritif d'agarose change de manière significative lorsque le pH change en raison du métabolisme bactérien dans l'aliment. Dans ce cas, deux colorants fluorescents sont noyés dans les nanoparticules. Le premier est un colorant fluorescéine hydrofuge. Il s'allume en vert lorsqu'il est excité par une diode électroluminescente et est sensible à un changement de la valeur du pH. La seconde, un colorant avec une fluorescence rouge indépendante du pH, sert de référence interne.

Avec un nouveau capteur de pH, les changements de pH dans les cellules vivantes peuvent être surveillés sur de longues périodes de temps. Le principe repose sur une combinaison de nanocristaux fluorescents avec des oligonucléotides mobiles qui se replient ou s'étirent en fonction du pH environnant. Ainsi, la distance entre le donneur d'énergie nanocristallin avec un colorant fluorescent vert et un accepteur de FRET, qui se compose d'un colorant fluorescent rouge, pH-dépendant changé. Il s'agit d'un transfert d'énergie FRET et donc à la lueur du colorant fluorescent rouge, si la distance est faible. Le rapport entre la fluorescence verte et rouge est observé avec un microscope à fluorescence.

En rapport avec "biocapteur"

• bioindicateur

  

  Le bioindicateur (indicateur biologique) est une espèce ou un groupe d'espèces qui reflète l'état biotique ou abiotique d'un environnement et l'impact produit...

• biomolécule

  

  Les biomolécules sont les molécules organiques les plus essentielles, impliquées dans la maintenance et les processus métaboliques des organismes vivants.

• biosenseur

  

  Un biosenseur, ou un bioindicateur, désigne un détecteur de qualité biologique, un indicateur biologique, souvent un organisme dépendant de son environnement...

• capteur

  

  Un capteur est un dispositif permettant de détecter, en vue de le quantifier et de le représenter, un phénomène physique sous la forme d'un signal...