Biosensorer og diabetesteori

Plan for dagen

• Mentimeter- kort om elektroforese (gå sammen to og to)
• Intro biosensorer (biosensing)
• Spørsmålskortene

Biosensorer

• Bioteknologibok kap 10.1-10.4
• Kompendium, Stuen, I, kap 5
• Eksempler hentet fra internett

BIOSENSING

• Biosensorer del 1 (denne presentasjon)
• Bakgrunn/Hva er en biosensor?
• "Basic" biosensorer
• Eksempler på applikasjoner
• Biosensorer del 2 (ny presentasjon)
• Spesialiserte biosensorer (nanosensorer)
• Kort om andre biosensing metoder
• Studenten skal kunne beskrive grunnprinsippene for en biosensor og kunne gi eksempler på ulike typer biosensorer.

Hva er en sensor?

• En sensor er en "omformer" som måler en fysisk mengde og omdanner det til et signal som kan avleses av en observatør eller et instrument.
• En geol sensor (eksempel)
  • sensitiv for analytt
  • måler ulike analytter
  • måler uten å påvirke analytten
• Eksempler: pH-elektrode, O₂-sensor

Hva er så en biosensor?

• Sensor basert på følsomheten til biologisk materiale
• Fellesbetegnelse på sensorer som kan bestemme spesifikk forbindelse ut fra en biokjemisk reaksjon
• Biosensing: Fellesbetegnelse på metoder der biologisk materiale brukes til deteksjon

Kanarifugl og biosensorer

• Kanarifugl som varslingssystem for giftige gasser.

KANARIFUGL = LEVENDE BIOSENSOR

• Farlig nivå av CO og andre giftige gasser kan registrere

ANDRE EKSEMPLER PÅ LEVENDE BIOSENSORER

• Overvåke vannkvalitet i vannkraftverk
• Narkotika, dynamitt, sykdommer
• Magawa — minerydder
• Miljøovervåking
• Vannkvalitetsindikator
• Luftforurensing

BIOSENSORER I HVERDAGEN?

• Smartklokker som måler oksygen i blodet, puls, søvn og temperatur
• Graviditetstester
• Diabetes test- apparater
• COVID-19 hurtigtester

APPLICATION OF BIOSENSORS

• Soil quality monitoring
• Environmental monitoring
• Disease detection
• Water monitoring
• Toxin detection
• Food quality monitoring
• Pathogen discovery
• Drug discovery

BIOSENSOR

• En sensor som bruker et biologisk gjenkjennelse element i direkte kontakt med en transduser (IUPAC definisjon).
• Kan også bruke betegnelsen om sensorer som brukes til analyser av biologisk interesse, selv om de ikke er knyttet til biologisk system direkte
• Omdanner biologisk respons til elektrisk signal

BIOSENSOR BESTÅR AV:

• Analytisk enhet som benyttes til analyse av kjemiske komponenter vha en fysiokjemisk detektor. Gir målbare resultater.
• Følsomhetselementet er et biologisk utledet materiale eller biometrisk komponent som reagerer med, binder eller gjenkjenner analytten som skal måles.

BIOSENSOR - OPPRINNELSEN

• Dagens biosensorer er basert på Clark elektroden (1956)

BIOSENSOR

• Første biosensor var en enzymsensor for glukosemåling i blod.
• Prinsipp: Clark elektrode + enzym. Oxidoreduktaser plassert mellom to membraner tilknyttet en platina elektrode.
• Elektroden plasseres i substratløsning og gir utslag på peroksidproduksjon proporsjonal med glukosekonsentrasjon, eller måler forbruk av oksygen som er proporsjonal med glukosekonsentrasjon.

GLUCOSE BIOSENSOR, GENERASJONER

• Første generasjon: Måling av oksygenkonsentrasjon eller hydrogenperoksid produsert.
• Andre generasjon: Spesielle mediatrover overfører elektronene til elektroden.
• Tredje generasjon: Elektroner overføres direkte fra enzymet til elektroden.

PRINSIPP BIOSENSORER

• Biogjenkjenning
• Transduser
• Signalbehandling

PRINSIPP BIOSENSORER - RESEPTORE

• Krav til reseptoren:
  • Spesifikk
  • Stabil under reaksjonsforholdene
  • Bevare biologisk aktivitet under immobilisering
  • Ingen uønskede prøvekontaminanter til stede

PRINSIPP BIOSENSORER. DETEKTOR/TRANSDUSER

• Detektor/transduser kan være basert på forskjellige prinsipper: elektrokjemisk, optisk, kalorimetrisk.
• Eksempler på sensorer: pH-, O₂-elektroder, H₂O₂-sensor, ioneselektive elektrole, termistor, fotodioder, nanopartikler...
• Omdanner biogjenkjennelse til målbart elektrisk signal.
• Standard elektroniske komponenter for å vise transdusersignalet på display.

KLASSIFISERING AV BIOSENSORER

• Bioreseptor
• Transduser
• Nano biosensor
• Affinitetsbiosensor
• Katalytisk biosensor
• Termisk biosensor
• Optisk biosensor
• Piezoelektrisk biosensor
• Kalorimetrisk biosensor
• Elektrokemisk biosensor
• Igjenførende biosensor
• Impedimetrisk biosensor
• Amperometrisk biosensor
• Voltammetrisk biosensor
• Potentiometrisk biosensor
• Kapasitiv biosen

BIOSENSORER: EKSEMPLER PÅ APPLIKASJONER

• Mange varianter innenfor to hovedgrupper av biosensorer
• Gir mange applikasjonsmuligheter

EKSEmpel 1: MÅLING AV ETANOL I LØSNING

• Sensorer: Elektrokjemisk/amperiometrisk
• Transduser/elektrode: O₂-elektrode
• Biologisk materiale: Acetobacter xylinum
• Prinsipp: Etanolkonsentrasjon måles ved overvåking av respirasjonsaktivitet

EKSEmpel 2: ANALYSE AV GLUTAMINSYRE

• Sensorer: Elektrokjemisk/potensiometrisk
• Transduser/elektrode: CO₂- elektrode
• Biologisk materiale: Gul squash. Celle (vevs) basert sensor. - Prinsipp: Plantenevevet immobiliseres, og mengden CO₂ produsert er proporsjonal med konsentrasjonen av glutaminsyre.

EKSEmpel 3: TIDLIG EKSEmpel på MEDISINSK BRUK AV BIOSENSORER (Diabetes)

• Diabetes: Mangel på insulinproduksjon - Insulin: Polypeptidhormon som produseres i bukspyttkjertelen. - Lite insulin = høyt glukoseinnhold i blodet.

EKSEmpel 3 FORTSETTER (Diabetes)

• Glukosesensor - Elektrokjemisk/amperiometrisk - Biologisk materiale: Glukose oksidase (GOD) - Måling av blodsukker

EKSEmpel 3 FORTSETTER: Halvautomatisk kunstig bukspyttkjertel

• Kombinerer insulinpumpe med kontinuerlig glukose monitorering (CGM). • Automatisk tilførsel av insulin når blodsukkeret stiger, og stopper tilførsel når blodsukkeret synker.

DEN PERFEKTE BUKSPYTKJERTEL (NTNU)

• Mangel på faktorer for å få riktig funksjon i en kunstig bukspyttkjertel.
• Nytt: Faktorer som glukagon (mikromengder), og økt blodgjennomstrømning.
• Lovende forskning på grise-modell.

EKSEmpel 4: GRAVIDITETSTESTER (Immunobasert biosensor)

• Detektering av graviditetshormonet hCG i urin.
• Teststav med antistoff/for hCG dyppes i urin
• Komplekset trekkes oppover staven.
• Resultat viser strek hvis hCG er tilstede.

EKSEmpel 5: BIOSENSOR (Covid-19)

- Tilsvarende prinsipp som graviditetstester.
- Testlinje belagt med mus monoklonale antistoffer mot Sars-CoV-2
- Kontroll linje med anti-kylling monoklonale antistoffer.
- Mus monoklonale anti-SARS-CoV-2 antistoffer konjugert med fargepartikler (detektorer for SARS-CoV-2)

• Interaksjon med antistoff og testlinje resulterer i farget testlinje.

EKSEmpel 6: BIOMEDISINSK BIOSENSOR (IscAlert)

- Ny biosensor for å overvåke nyopererte pasienter.
- CO₂-sensor
- Tidlig deteksjon av iskmi
- Varsling om tidlige skader, gi muligheter til rask og riktig behandling.

EKSEmpel 7: MILJØ- VANNFORURENSNING (BOD)

- BOD-biokjemisk oksygenforbruk
 - Viktig parameter for organisk forurensning i vann og avløpsvann
 - Elektrokjemisk/amperiometrisk: Måling av mengde oksygen som forbrukes av mikroorganismer for å nedbryte organiske stoffer i vann.

• Biologisk materiale: Gjær (eks Trichosporin cutaneum. Arxua adininivorans).
• Prinsipp: Gjær immobilisert til elektroden. Måler oksygenforbruk.

EKSEmpel 8: MILJØANALYSE (Fiskeegg som miljøsensor).

• Bruker fiskeegg (rognkjeks) for overvåking av miljøet.
• Analyser for skade på embryo, for å oppnå detaljerte analyser av miljøgiftene i havet.

UTVIKLING AV BIOSENSORER

• Teknologiutvikling av biosensorer: Smartklokker, bærbare sensorer, utviklingstrekk over tid.

MARKED BIOSENSOR

- Biosensorer markedet stiger.

• Tyskland har stor markedsandel.
• Det elektrokjemisk markedet er stort
  • Det optiske markedet har også eksponensiell vekst.
  • Markedsandeler i forskjellige segmenter (land, teknologi, applikasjon).

DISKUSJONSOPPGAVE/IDEMYLDERING

- Forslag til analyse/problem der biosensorer kan brukes fremfor mer standard analyser.
- Diskuter fordeler/ulemper med biosensorer.