Contenuto Che cos’e un biosensore: definizione

Presentazione sul tema: "Contenuto Che cos’e un biosensore: definizione"— Transcript della presentazione:

1 Contenuto Che cos’e un biosensore: definizione
Riconoscimento Biologico Immobilizzazione ed importanza della superficie Trasduttori di segnale Applicazioni DNA/RNA/Proteine: biochips Nanotecnologie: il futuro dei biosensori

2 Un’area di ricerca ‘calda’
Lavori publicati primo biosensore di Clark Una crescente evidenza biologica indica che la Natura crea i migliori sensori E’previsto un ulteriore aumento di lavori data la crescente importanza delle nano- e biotecnologie

3 Argomento Multidisciplinare: impossibile coprire tutti gli aspetti in profondità
L’approccio sarà raggiungere la comprensione di cosa sono i biosensori e quale è stato il loro sviluppo attraverso esempi

4 Natura Interdisciplinare dei Biosensori

5 Introduzione Cosa sono i biosensori? Aree di applicazioni ed esempi
Quali sono i componenti? Elenco di differenti tipi di biorecettori e trasduttori Comprensione delle caratteristiche

6 DEFINIZIONE DI BIOSENSORE
Un biosensore è un dispositivo analitico che incorpora un elemento di riconoscimento biologico (o di derivazione biologica) integrato o intimamente associato ad un trasduttore di segnale chimico-fisico. Lo scopo del biosensore è quello di produrre un segnale elettronico, discreto o continuo, proporzionale alla concentrazione di un singolo analita o gruppo di analiti. Daniel R. The´venot, Klara Toth , Richard A. Durst , George S. Wilson Biosensors & Bioelectronics 16 (2001) 121–131

7 SEGNALE RIVELATORE TRASDUTTORE DI SEGNALE ANALITA COMPONENTE BIOLOGICO

8 Meccanismo di un Biosensore
Soluzione NO RiCOGNIZIONE RICOGNIZIONE Recettore Segnale Misurable NO Segnale Misurabile Trasduttore Sottile membrana selettiva =Analita

9 Cosa hanno in comune? Biosensore Naso Occhi
Piccole molecole/membrana olfattiva/cellule nervose/cervello Luce Visibile /bastoncelli e coni/ cellule nervose/cervello Naso Occhi Analita/biorecettore/trasduttore/processore di segnale

10 NON sono biosensori sensori chimici o fisici usati per monitorare processi biologici (es. Sensori per pH in vivo, sensori per pressione sanguigna) sistemi analitici che usano reattori con componenti biologiche immobilizzate, ma separate dal trasduttore di segnale.

11 Aree di Applicazione medica
glucosio, alcool, DNA, RNA, proteine, ormoni, aspirina, paracetamolo, penicillina bioprocessi industriali amminoacidi, lieviti, acido lattico, etanolo, etc. ambientale pesticidi, fertilizzanti, sostanze estrogeniche, CO, CO2 difesa/forense antrace, ricina, agenti nervini, TNT, cocaina

12 Il primo ed ancora più importante biosensore: glucosio
Diabete di tipo 1: incapacità di produrre l’insulina Glucosio non può essere convertito in glicogeno per essere conservato nel corpo Il primo biosensore per glucosio fu realizzato da Clark nel 1960 50% della ricerca attuale nel campo dei biosensori è sui sensori a glucosio Il mercato dei test per glucosio è il più esteso

13 5.4 mM Sensore per glucosio di Clark del 1962 Glucosio Acido Gluconico
Glucosio Ossidasi Ossigeno Acqua ossigenata ELETTRODO 4H+, 4e- 5.4 mM O H2O

14 elettrodo per Ossigeno (1956)
elettrodo di lavoro: catodo di Pt (-0.6 V) elettrodo di riferimento: Ag/AgCl elettrodi separati dalla soluzione di misura da una membrana gas-permeabile Leland C. Clark, Jr. con il primo elettrodo ad enzima

15 Storia dei Biosensori Concept -- Leland Clark (1956)
Urea Sensor -- Guibault & Montalvo (1969) Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973) Enzyme Thermistor – Mosbach (1974) Microbial Electrodes – Divis (1975) Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975) Biostator – Clemens et al. (1976) Immunosensor – Liedberg et al. (1982) Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987) BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990) NanoSensor – Vo-Dinh (2000) This is an optically-based  biosensor (specifically a technique called surface plasmon resonance) which is sold  into the bioscience R & D laboratory market for the real time analysis of biological  interactions.  

16 Perchè Biosensori? Lo scopo di un biosensore è produrre un segnale elettronico digitale  discreto o continuo proporzionale alla concentrazione di un singolo analita o ad gruppo di analiti correlati   Specificità Velocità Semplicità Monitoraggio continuo Specificity  Like other bioanalytical methods (such as immunosassays and enzyme assays), biosensors use a biologically derived compound as the sensing element.  The advantage of biological sensing elements is their remarkable ability to distinguish between the analyte of interest and similar substances.  With biosensors, it is possible to measure specific analytes with great accuracy.  Speed  One characteristic of biosensors that distinguishes them from other bioanalytical methods is that the analyte tracers or catalytic products can be directly and instantaneously measured. There is no need to wait for results from lengthy procedures carried out in centralised laboratories.   Simplicity  The uniqueness of a biosensor is that the receptor and transducer are integrated into one single sensor. This combination enables the measurement of target analytes without using reagents. For example, the glucose concentration in a blood sample can be measured directly by a biosensor (which is made specifically for glucose measurement) by simply dipping the sensor in the sample. This is in contrast to the conventional assay in which many steps are used and each step may require a reagent to treat the sample.  Continuous monitoring capability  Another advantage that biosensors have over bioanalytical assays is that they can regenerate and reuse the immobilized biological recognition element. For enzyme-based biosensors, an immobilized enzyme can be used for repeated assays ; this feature allows these devices to be used for continuous or multiple assays. By contrast, immunoassays, including enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), are typically based on irreversible binding and are thus used only once and discarded.   Biosensors offer the specificity and sensitivity of biological-based assays packaged into convenient devices which allow for rapid analysis and superior process control. 

17 Considerazioni nello sviluppo di un biosensore
Identificazione dell’analita da misurare Selezione di una molecola adatta come biorecettore Selezione di un adatto metodo di immobilizzazione Selezione di un adatto trasduttore Progettazione del biosensore tenendo in considerazione l’intervallo di concentrazione da misurare, la sua linearità, e la minimizzazione delle interferenze Costruzione del biosensore

18 Variabili da considerare quando si progetta un Biosensore
2 Recettore Biologico 4 Trasduttore di Segnale 1 Tipo di analita/campionamento 3 Immobilizzazione e superficie 5 Processore/ Lettore

19 1. Analiti microbi antrace, E. coli, Candida piccole molecole
glucosio, alcool, CO, CO2, agenti nervini, urea, pesticidi, aspirina, paracetamolo, penicillina, TNT, colesterolo, amminoacidi bio-macromolecole DNA, RNA, enzimi, proteine, ormoni, virus

20 Variabili da considerare quando si progetta un biosensore
1 Tipo di analita/ campionamento 2 Recettore Biologico

21 2. Recettori Biologici Enzima Anticorpo Acido Nucleico
Interazioni Biologiche Interazioni deboli, non-covalenti Spontanee (self-assembly) Altamente specifiche (differenze anche di un singolo atomo) Complementare (chiave / serratura) Enzima Anticorpo Acido Nucleico

22 2. Recettori Biologici enzimi / substrati anticorpi / antigeni
I recettori biologici più comunemente usati. Essi sono catalizzatori; fanno avvenire una reazione chimica che viene misurata. anticorpi / antigeni Interazioni altamente selettive Anticorpi possono essere prodotti per quasi qualsiasi antigene. Svantaggi: generalmente non hanno effetto catalitico, spesso devono essere abbinati ad altri marcatori.

23 Recettori biologici proteine come recettori
Molte proteine sulla superficie di cellule sono incorporate dentro membrane. Applicazioni sono possibili nella misura di ormoni, neuro- trasmettitori, farmaci neuroattivi (p.es. nicotina), anestetici Sono altamente selettive, ma difficili da isolare. Spesso si usano biomembrane intere o cellule. acidi nucleici DNA, RNA sensori diagnostici in chip; usati per individuare disordini genetici parallelamente a livelli di espressione di proteine. DNA and RNA possono essere sintetizzati in laboratorio. combinazioni ELISA: enzima/ anticorpo. Tests di gravidanza, TNT.

24 Variabili da considerare quando si progetta un biosensore
1 Tipo di analita/campione 2 Recettore biologico 3 Immobilizzazione e superficie

25 3. Immobilizazione e superficie
Molecole bio-recettrici devono essere immobilizzate sopra o vicino la superficie del trasduttore. L’immobilizzazione viene fatta sia per intrappolamento fisico (usando p. es. una membrana) o per legame chimico. La capacità di riconoscimento molecolare non deve essere persa!! Quando vengono analizzati fluidi biologici (p. es. sangue) proteine possono depositarsi sulla superficie (biocompatibilità).

26 Variabili da considerare quando si progetta un biosensore
1 Tipo di analita/ campione 2 Recettore biologico 4 Trasduttore di Segnale 3 Immobilizzazione e superficie

27 4. Trasduttore di segnale
Glucosio Acido Gluconico Glucosio Ossidasi Ossigeno Acqua Ossigenata Sensore per Ossigeno: [O2] corrente Sensore per pH (A. gluconico): pH ddp Sensore per Perossido: [H2O2] corrente Accopp. a perossidasi: [Dye] colore Termico: Entalpia T

28 4. Trasduttore di segnale
Elettrodo Amperometrico: Il più comunemente usato in reazioni enzimatiche che implicano ossidasi e riduttasi. Glucosio ossidasi, colesterolo ossidasi, etc. Potenziometrico: reazioni che implicano variazioni significative di pH Es. penicillinasi, ureasi. Misuratore Termico Formazione/rottura di legami chimici in reazioni enzimatiche che provocano variazioni di entalpia. Inoltre, variazioni di calore di soluzione specialmente con formazione di specie cariche (p. es. protoni). Tipicamente possono essere misurate 10-3 K di variazione di temperatura. A volte accoppiate a reazioni che producono più calore (p. es. glucosio ossidasi accoppiata a catalasi)

29 Trasduttore di segnale
Fibre Ottiche/spettrofotometri Sempre più usate grazie allo sviluppo di fibre ottiche che possono trasportare fotoni a siti remoti. Assorbimento, reflettanza, fluorescenza, scattering, chemiluminescenza, etc. Quantum dots (cristalli semiconduttori nano-sized). Cristalli Piezoelettrici Generano correnti elettriche grazie alla vibrazione di quarzi quando piccole quantità di analiti si legano a recettori biologici immobilizzati. Promettenti per interazioni anticorpo/antigene, applicati in biosensori per Candida albicans.

30 Variabili da considerare quando si progetta un biosensore
1 Tipo di analita/campione 2 Recettore biologico 5 Processore/ lettore 4 Trasduttore di segnale 3 Immobilizzazione e superficie

31 5. Processore/ lettore Accuratezza richiesta: cartina /indicatore di pH /pHmetro Controllo della risposta/self test (il test funziona?) Altri problemi (p.es LCD display troppo piccolo nel primo biosensore per glucosio)

32 Caratteristiche richieste per biosensori
Accuratezza Sensibilità e specificità – no interferenze ambientali, come temperatura/ contaminazioni Intervallo di misura–suscettibile di saturazione? Velocità di risposta –e.g. agenti nervini Riusabilità –quelli basati su anticorpi spesso non riusabili a causa di legami troppo forti Self-testing/ calibrazione Robustezza fisica Costo – iniziale, di lavoro Accettabilità e facilità d’uso Sicurezza del prodotto

33 Definizioni Sensore Biosensore Recettore Biologico
Dispositivo che riconosce o misura una proprietà fisica e registra, indica o risponde ad essa in altro modo Biosensore Un sensore che usa un elemento di riconoscimento biologico (in intimo contatto con il trasduttore) per la misura. Recettore Biologico Una macromolecola/ cellula / tessuto che riconosce l’analita target. Trasduttore Dispositivo che converte l’evento di riconoscimento biologico in un segnale misurabile Processore Converte il segnale misurato in un segnale che può essere interpretato dall’utilizzatore (un numero, un colore, etc.)