Biosensor [PDF]

Citation preview

BIOSENSOR



I. Apa itu Biosensor? Biosensor = bioreseptor + transduser. Biosensor terdiri dari dua komponen: bioreseptor dan transduser. Bioreseptor adalah biomolekul yang mengenali analit target, dan transduser mengubah peristiwa pengenalan menjadi sinyal yang terukur. Keunikan sebuah biosensor adalah bahwa kedua komponen tersebut diintegrasikan ke dalam satu sensor tunggal (Gambar 1.1). Kombinasi ini memungkinkan seseorang untuk mengukur analit target tanpa menggunakan reagen (Davis dkk, 1995). Misalnya, konsentrasi glukosa dalam sampel darah dapat diukur secara langsung oleh biosensor yang dibuat khusus untuk pengukuran glukosa, hanya dengan mencelupkan sensor ke dalam sampel. Ini berbeda dengan tes yang biasa dilakukan, di mana banyak langkah persiapan sampel diperlukan dan setiap langkah mungkin memerlukan reagen untuk memperlakukan sampel. Kesederhanaan dan kecepatan pengukuran yang tidak memerlukan keterampilan laboratorium khusus adalah keunggulan utama dari biosensor.



gambar 1.1 konfigurasi biosensor Enzim adalah Bioreseptor. Ketika kita makan makanan seperti hamburger dan kentang goreng, itu dipecah menjadi molekul-molekul kecil di tubuh kita melalui banyak langkah reaksi (reaksi pemecahan ini disebut katabolisme). Molekulmolekul kecil ini kemudian digunakan untuk membuat blok bangunan tubuh kita, seperti protein (reaksi sintesis ini disebut anabolisme). Masing-masing reaksi katabolisme dan anabolisme ini (kombinasi disebut metabolisme) dikatalisis oleh enzim tertentu. Oleh karena itu, enzim mampu mengenali molekul target spesifik (Gambar 1.2). Kemampuan biorecognition dari enzim ini digunakan dalam



biosensor. Molekul biorecognizing lainnya (= bioreseptor) termasuk antibodi, asam nukleat, dan reseptor.



Gambar 1.2 spesifikasi biosensor (tranduser). Imobilisasi Bioreseptor. Salah satu persyaratan utama untuk biosensor adalah bahwa bioreseptor dapat diimobilisasi di sekitar transduser. Imobilisasi dilakukan baik dengan jebakan fisik atau ikatan kimia. Lampiran kimia sering melibatkan ikatan kovalen ke permukaan transduser dengan reagen yang sesuai. Perawatan komprehensif untuk imobilisasi tersedia di Hermanson (1996). Perlu dicatat bahwa hanya dibutuhkan molekul bioreceptor dalam jumlah kecil, dan mereka digunakan berulang kali untuk pengukuran. Transduser. Transduser harus mampu mengubah peristiwa biorecognition menjadi sinyal yang terukur (Gambar 1.3). Biasanya, ini dilakukan dengan mengukur perubahan yang terjadi pada reaksi bioreseptor. Sebagai contoh, enzim glukosa oksidase digunakan sebagai bioreseptor dalam biosensor glukosa yang mengkatalisasi reaksi berikut: Glukosa + O2



oksidasi Glukosa



Asam glukonat+ H2O2



Gambar 1.3 Tiga kemungkinan transduser untuk pengukuran glukosa.



Untuk mengukur glukosa dalam larutan air, tiga transduser yang berbeda dapat digunakan: 1. Sensor oksigen yang mengukur konsentrasi oksigen, hasil dari reaksi glukosa. 2. Sensor pH yang mengukur asam (asam glukonat), produk reaksi glukosa. 3. Sensor peroksidase yang mengukur konsentrasi H2O2, hasil dari reaksi glukosa. Perhatikan bahwa sensor oksigen adalah transduser yang mengubah konsentrasi oksigen menjadi arus listrik. Sensor pH adalah transduser yang mengubah perubahan pH menjadi perubahan tegangan. Demikian pula, sensor peroksidase adalah transduser yang mengubah konsentrasi peroksidase menjadi arus listrik. Tinjauan yang sangat baik dari teknologi penginderaan glukosa dilaporkan oleh Wilkins dan Atansov (1996). Karakteristik Biosensor. Biosensor dicirikan oleh delapan parameter. Ini adalah: (1) Sensitivitas adalah respon sensor terhadap perubahan satuan dalam konsentrasi analit. (2) Selektivitas adalah kemampuan sensor untuk hanya merespons analit target. Artinya, kurangnya respons terhadap bahan kimia lain yang mengganggu adalah fitur yang diinginkan. (3) Rentang adalah rentang konsentrasi di mana sensitivitas sensor th baik. Kadang-kadang ini disebut rentang dinamis atau linieritas. (4) Waktu respons adalah waktu yang diperlukan sensor untuk mengindikasikan 63% dari tanggapan akhir karena perubahan langkah dalam konsentrasi analit. (5) Reproducibilitas adalah keakuratan dengan mana output sensor dapat diperoleh. (6) Batas deteksi adalah konsentrasi analit terendah yang ada respons terukurnya. (7) Waktu hidup adalah periode waktu di mana sensor dapat digunakan tanpa penurunan signifikan dalam karakteristik kinerja. (8) Stabilitas mencirikan perubahan dalam baseline atau sensitivitasnya selama periode waktu tertentu. Pertimbangan dalam Pengembangan Biosensor. Setelah analit target telah diidentifikasi,



tugas



utama



dalam



mengembangkan



biosensor



meliputi:



1. Pemilihan bioreseptor yang cocok atau molekul pengenalan. 2. Pemilihan metode imobilisasi yang cocok. 3. Pemilihan dan desain transduser yang menerjemahkan reaksi pengikatan menjadi sinyal yang dapat diukur.



4. Desain biosensor mempertimbangkan rentang pengukuran, linieritas, dan meminimalkan gangguan, dan peningkatan sensitivitas. 5. Pengemasan biosensor ke perangkat yang lengkap. Item pertama di atas membutuhkan pengetahuan dalam biokimia dan biologi, yang kedua dan ketiga membutuhkan pengetahuan dalam kimia, elektrokimia dan fisika, dan yang keempat membutuhkan pengetahuan tentang kinetika dan transfer massa. Setelah biosensor dirancang, ia harus dikemas untuk memudahkan pembuatan dan penggunaan. Tren saat ini adalah miniaturisasi dan produksi massal. Teknologi fabrikasi IC (sirkuit terpadu) modern dan teknologi micromachining semakin banyak digunakan dalam fabrikasi biosensor, karena mereka mengurangi biaya produksi. Oleh karena itu, tim peneliti interdisipliner, yang terdiri dari berbagai disiplin ilmu yang diidentifikasi di atas, sangat penting untuk keberhasilan pengembangan biosensor. Pertimbangan untuk pengembangan biosensor: 1. Pemilikan entitas biorecognition yang cocok 2. Pemilihan metode imobilisasi kimia 3. Pemilihan dan desain tranduser yang sesuai 4. Merancang



biosensor



untuk



rentang



pengukuran,



linieritas



dan



meminimalkan gangguan 5. Pengemasan biosensor ke dalam unit yang lengkap II. Aplikasi Biosensor 1. Kesehatan Pengukuran Metabolit. Dorongan awal untuk memajukan teknologi sensor berasal dari bidang perawatan kesehatan, di mana sekarang secara umum diakui bahwa pengukuran kimia darah sangat penting dan memungkinkan estimasi yang lebih baik dari keadaan metabolisme pasien. Di unit perawatan intensif, misalnya, pasien sering menunjukkan variasi cepat dalam komposisi biokimia dan level yang memerlukan tindakan perbaikan segera. Juga, dalam penanganan pasien yang kurang parah, perawatan yang lebih sukses dapat dicapai dengan memperoleh tes instan. Saat ini, analisis instan yang tersedia tidak luas. Dalam praktiknya, pengujian ini dilakukan oleh laboratorium analitik, tempat sampel



terpisah dikumpulkan dan dikirim untuk dianalisis, sering kali menggunakan teknik analisis yang lebih tradisional. Potensi pasar. Ada peningkatan permintaan untuk sensor yang murah dan dapat diandalkan untuk digunakan di kantor dokter, ruang gawat darurat, dan ruang operasi. Pada akhirnya, pasien sendiri harus dapat menggunakan biosensor dalam pemantauan kondisi klinis, seperti diabetes. Mungkin benar bahwa pasar biosensor utama dapat ditemukan di mana pengujian langsung diperlukan. Jika biaya pemeliharaan instrumen laboratorium dimasukkan, maka perangkat biosensor berbiaya rendah dapat diinginkan dalam seluruh spektrum aplikasi analitis dari rumah sakit ke rumah. Diabetes. Contoh "klasik" dan kontrol obat loop tertutup yang paling banyak dieksplorasi ditemukan dalam pengembangan pankreas buatan. Pasien diabetes memiliki kekurangan relatif atau absolut insulin, hormon polipeptida yang diproduksi oleh sel beta pankreas, yang sangat penting untuk pengambilan glukosa. Kurangnya sekresi insulin menyebabkan berbagai kelainan metabolisme, termasuk kadar glukosa darah yang lebih tinggi dari normal. Pada pasien yang telah kehilangan pulau Langerhan yang mensekresi insulin, insulin disuplai melalui injeksi subkutan. Namun, kontrol yang baik sulit dicapai dan hiperglikemia sering dijumpai. Lebih jauh lagi, bahkan hipoglikemia kadangkadang diinduksi, menyebabkan gangguan kesadaran dan komplikasi jangka panjang yang serius pada jaringan yang terkait dengan kondisi glukosa rendah yang terputus-putus ini. Terapi Insulin. Metode yang lebih baik untuk pengobatan diabetes tergantung insulin telah dicari dan sistem infus untuk pengiriman insulin terus menerus telah dikembangkan (Hall, 1991). Namun, terlepas dari metode terapi insulin, induksi harus dilakukan sebagai respons terhadap informasi tentang kadar glukosa darah saat ini pada pasien. Tiga skema dimungkinkan (Gambar 1.4), dua yang pertama tergantung pada pengukuran glukosa manual diskrit dan yang ketiga sistem "loop tertutup", di mana pengiriman insulin dikendalikan oleh output dari sensor glukosa yang terintegrasi dengan infuser insulin. Dalam kasus sebelumnya, glukosa diperkirakan berdasarkan analisis sampel darah jari-tusukan dengan strip



tes kolorimetri atau lebih baru-baru ini dengan perangkat biosensor pensize amperometrik oleh pasien sendiri. Jelas, kit diagnostik ini harus mudah dibawabawa, mudah digunakan, dan membutuhkan keterampilan minimal serta interpretasi yang mudah. Namun, bahkan dengan kemampuan untuk memantau kadar glukosa saat ini, terapi insulin konvensional yang intensif memerlukan suntikan setiap hari. Pendekatan loop terbuka ini tidak mengantisipasi dosis insulin karena perubahan diet dan olahraga. Sebagai contoh, ditunjukkan bahwa pemberian glukosa dengan injeksi subkutan, 60 menit sebelum makan memberikan manajemen glukosa / insulin terbaik.



Gambar 1.4 skema dari terapi insulin Pankreas Buatan. Pengenalan sistem loop tertutup, di mana pengukuran glukosa terintegrasi memberikan kontrol umpan balik pada pemberian insulin yang diprogram sebelumnya berdasarkan persyaratan kebiasaan, karena itu akan meringankan pasien dari persyaratan uji yang sering dan, mungkin lebih diinginkan, sering suntikan. Pada akhirnya, sistem loop tertutup menjadi pankreas buatan, di mana kontrol glikemik dicapai melalui sensor glukosa yang ditanamkan. Sensor implan yang diusulkan diberikan pada Gambar 1.5 (Turner et al., 1990). Jelas, persyaratan untuk sensor ini sangat berbeda dari yang untuk kit pengukuran diskrit. Seperti dirangkum dalam Tabel 6.2.1, masa pakai yang lama dan biokompatibilitas merupakan persyaratan utama.



Gamabar 1.5 Tampilan luas penampang glukosa implant elektroda dalam darah Kontrol Proses Industri. Kontrol Bioreaktor. Bioreaktor digunakan untuk mengolah sel-sel rekombinan untuk produksi protein terapeutik seperti insulin. Produktivitas sistem tersebut tergantung pada kondisi bioreaktor. Pemantauan waktu-nyata terhadap sumbersumber karbon, oksigen terlarut dan karbon dioksida, dan produk-produk metabolisme dalam proses fermentasi dapat mengarah pada optimalisasi yang memberikan peningkatan hasil produk dengan penurunan biaya pemrosesan dan bahan (Scheper et al., 1996). Sementara pemantauan waktu nyata dengan kontrol umpan balik yang melibatkan sistem otomatis memang ada, saat ini hanya beberapa variabel umum yang diukur secara online, (misal, pH, suhu, CO2, O2) yang seringkali hanya secara tidak langsung terkait dengan aktivitas kultur yang dikendalikan. Jika aktivitas metabolisme seluler dapat dipantau secara real-time menggunakan sensor, seseorang dapat dengan tepat mengubah variabel lingkungan untuk meningkatkan produktivitas proses. Banyak manfaat dari kontrol loop tertutup suatu keadaan seluler, seperti peningkatan hasil dan kualitas produk. Ini adalah kurangnya sensor yang membatasi penggunaan kontrol online loop



tertutup



kultur



sel



dan



proses



fermentasi.



Aplikasi Keamanan Militer dan Tanah Air. Persyaratan untuk analisis cepat juga ada dalam aplikasi militer. Keterlibatan militer baru-baru ini di Timur Tengah telah menyebabkan, agak cepat, penyebaran sensor yang dapat digunakan di lapangan untuk agen perang kimia dan biologi. Banyak sensor adalah kit analitik portabel kecil yang dapat disebut “dipsticks.” Meskipun cukup kuat, kinerjanya di lapangan telah dilaporkan bervariasi. Dengan



demikian, ada kebutuhan besar untuk sensor kuat yang tidak memerlukan perawatan. Kontak dan penginderaan jauh untuk agen perang saat ini sedang dalam pengembangan. Sensor dan sistem terdistribusi untuk memantau bahaya akibat aktivitas teroris saat ini sedang dikembangkan di bawah naungan dana Departemen Keamanan Dalam Negeri. Pemantauan Lingkungan. Badan Perlindungan Lingkungan (EPA) Pemantauan Udara dan Air. Program Pengawasan dan Penilaian Lingkungan (EMAP) EPA dibentuk untuk memberikan kartu laporan yang komprehensif tentang kondisi sumber daya ekologi negara dan untuk mendeteksi tren dalam kondisi sumber daya tersebut. EPA secara rutin memonitor air dan udara di daerah perkotaan dan pedesaan. Baru-baru ini Departemen Keamanan Dalam Negeri telah memulai upaya untuk memantau lingkungan di daerah perkotaan, terutama pusat populasi besar, untuk agen bioterorisme potensial. Media pengukuran utama adalah air atau udara, tetapi variasi analit target sangat luas. Di lokasi-lokasi yang berpotensi polusi atau kegiatan teroris, akan diinginkan untuk memasang pemantauan dan alarm real-time online, yang ditargetkan pada analit tertentu. Analit lingkungan yang umum adalah permintaan oksigen biologis (BOD), keasaman atmosfer, dan pH air sungai, deterjen, herbisida, dan konsentrasi pupuk dalam drainase dan sungai (Leonard et al., 2003). Potensi teknologi biosensor untuk pemantauan lingkungan sangat besar, dan dampak potensial sangat luas. Meskipun prinsip deteksi mungkin sama untuk analit tertentu, platform teknologi aktual yang digunakan akan tergantung pada aplikasi. Sebagai contoh, sensor glukosa untuk penggunaan online di fermentor memiliki persyaratan yang sangat berbeda dari yang digunakan untuk memantau konsentrasi glukosa pada pasien diabetes. Kustomisasi untuk memenuhi kebutuhan aplikasi seringkali merupakan bagian yang sangat penting dari pengembangan teknologi. Untuk detail tentang biosensor untuk pemantauan lingkungan lihat Dennison dan Turner (1995) dan Wang et al., (1997). III. Asal Biosensor Elektroda Enzim. Biosensor pertama kali dijelaskan oleh Clark dan Lyons (1962), ketika istilah enzim-elektroda diperkenalkan. Dalam elektroda enzim



pertama ini, enzim oksido-reduktase, glukosa oksidase, diadakan di sebelah elektroda platinum dalam sandwich membran (Gambar 1.6). Anoda platinum yang terpolarisasi pada +0,6 V merespons peroksida yang dihasilkan oleh reaksi enzim dengan substrat. Substrat target utama untuk sistem ini adalah glukosa: Glukosa + O2



oksidasi Glukosa



Asam glukonat+ H2O2



dan menyebabkan pengembangan penganalisa glukosa pertama untuk pengukuran glukosa dalam darah lengkap. Instrumen Mata Air Kuning (Model YSI 23) ini muncul di pasaran pada tahun 1974, dan teknik yang sama seperti yang digunakan di sini telah diterapkan pada banyak sistem enzim oksido-reduktase yang dimediasi oksigen lainnya.



Gambar 1.6 Elektroda enzim Clark IV. Molekul Bioreseptor Enzim telah menjadi molekul bioreseptor yang paling banyak digunakan dalam aplikasi biosensor, dengan antibodi dan molekul reseptor protein semakin tergabung dalam biosensor. Spesifisitas biosensor berasal dari spesifisitas molekul bioreseptor yang digunakan. Enzim adalah contoh yang baik. Ia memiliki struktur tiga dimensi yang hanya cocok untuk substrat tertentu. Enzim adalah protein yang disintesis dalam sel dari asam amino sesuai dengan kode yang ditulis dalam DNA. Enzim bertindak sebagai katalis untuk reaksi biokimia yang terjadi dalam sel. Untuk mempertahankan aktivitas enzim yang tinggi, suhu dan pH lingkungan harus dijaga pada tingkat yang tepat. Antibodi. Antibodi mewakili salah satu kelas utama protein. Mereka membentuk sekitar 20% dari total protein plasma dan secara kolektif disebut imunoglobulin (Ig). Antibodi yang paling sederhana digambarkan sebagai molekul berbentuk Y dengan dua situs pengikatan identik untuk antigen. Antigen dapat berupa



makromolekul apa saja yang menginduksi respons imun. Antibodi memiliki unit struktural dasar yang terdiri dari empat rantai polipeptida: dua rantai ringan dan dua rantai berat. Antibodi mengikat secara reversibel dengan antigen spesifik. Berbeda dengan protein enzim, antibodi tidak bertindak sebagai katalis. Tujuannya adalah untuk mengikat zat asing - antigen - untuk menghilangkannya dari sistem peredaran darah. Antibodi monoklonal yang tergabung dalam kelas IgG dari imunoglobulin biasanya digunakan dalam aplikasi sensor. Dalam banyak kasus, antibodi poliklonal yang dimurnikan afinitas digunakan karena mereka menunjukkan aviditas yang lebih tinggi terhadap antigen. Antibodi poliklonal dan monoklonal terhadap antigen dapat dikembangkan dalam beberapa bulan. Saat ini, harganya $ 6.000 hingga $ 20.000 per gram ketika diproduksi dalam jumlah besar. Protein reseptor. Protein reseptor memiliki afinitas spesifik untuk senyawa aktif secara biologis. Protein ini sebagian besar terikat pada membran. Ada reseptor hormon, reseptor rasa, reseptor penciuman untuk penciuman, reseptor fotorik untuk mata, dan lainnya. Protein reseptor mengaktifkan pembukaan dan penutupan saluran membran untuk transportasi metabolit spesifik. Mereka juga memainkan peran kunci dalam mentransduksi pesan intraseluler untuk tindakan responsif. Karena protein reseptor mengenali entitas biologis tertentu, mereka sering digunakan untuk mengukur analit target. Sebagai contoh, reseptor kematian pada permukaan sel mengirimkan sinyal apoptosis yang diprakarsai oleh ligan spesifik. Mereka memainkan peran penting dalam apoptosis dan dapat mengaktifkan kaspase kaspase dalam beberapa detik setelah pengikatan ligan. Jadi, ketika reseptor kematian adalah entitas penginderaan, orang berpotensi mengukur keberadaan bahan kimia penginduksi apoptosis di lingkungan. Pendekatan Lain. Pada prinsipnya, setiap biomolekul dan rakitan molekuler yang memiliki kemampuan mengenali analit target dapat digunakan sebagai bioreseptor. Bahkan, irisan membran atau seluruh sel telah digunakan dalam biosensor. Gambar 1.7 merangkum kemungkinan bioreseptor yang dapat digunakan



dalam



biosensor. Perhatikan bahwa bioreseptor memerlukan



lingkungan yang sesuai untuk mempertahankan integritas struktural dan aktivitas biorespesifikasi mereka. Persyaratan ini dijelaskan pada gambar 1.7 bersama



dengan jenis sinyal yang dihasilkan sebagai hasil kegiatan biorecognition. Transduser dalam biosensor harus responsif terhadap aktivitas biokimia ini. V. Mekanisme Transduksi dalam Biosensor. Transduser Konvensional. Mayoritas biosensor yang digunakan saat ini menggunakan tiga jenis transduser untuk mengubah aksi molekul bioreceptor menjadi sinyal yang terukur. Ini adalah: amperometri berdasarkan pengukuran H2O2 atau O2; potensiometri berdasarkan pengukuran pH atau pIon; dan fotometri yang menggunakan serat optik. Reaksi Biorecognition sering menghasilkan spesies kimia yang dapat diukur dengan metode elektrokimia. Dalam hal ini, biasanya produk reaksi adalah H2O2 (atau reaktan adalah O2) yang dapat diukur dengan sepasang elektroda. Ketika tegangan yang sesuai terkesan pada salah satu elektroda terhadap elektroda referensi (biasanya Ag / AgCl atau Calomel), spesies target (H2O2 atau O2) berkurang pada elektroda dan ini menghasilkan arus listrik (maka dinamakan amperometri). Dalam potensiometri, membran kaca atau elektroda membran polimer digunakan untuk mengukur potensi membran (karenanya dinamakan potensiometri) yang dihasilkan dari perbedaan konsentrasi H+ atau ion positif lainnya melintasi membran. Dalam fotometri, cahaya dari molekul indikator adalah sinyal yang diukur. Dalam metode ini, salah satu reaktan atau produk dari reaksi biorecognition menghasilkan perubahan kolorimetri, fluorescent atau luminescent yang diukur dengan menggunakan fotodetektor. Biasanya, serat optik digunakan untuk memandu sinyal cahaya dari sumber ke detektor. Adaptasi dan eksploitasi tiga rute ini, (amperometrik, potensiometri, dan fotometrik), di mana penerimaan pengguna telah ditetapkan, telah menjadi pendekatan yang jelas untuk pengembangan perangkat biosensor reagentless. Transduser piezoelektrik. Transduser biosensor tidak terbatas pada tiga yang dijelaskan di atas. Pada prinsipnya, variabel apa pun yang dipengaruhi oleh reaksi biorecognition dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal transduksi. Bahan piezoelektrik dan perangkat gelombang akustik permukaan menawarkan permukaan yang sensitif terhadap perubahan massa. Transduser ini telah digunakan di mana reaksi biorecognition menyebabkan perubahan massa. Sebagai contoh, kristal silikon piezoelektrik-disebut kuarsa microbalance kristal (QCM)-



telah digunakan untuk mengukur perubahan massa yang sangat kecil dalam urutan pikogram. Sebagai contoh, lihat Bunde et al., (1998). QCM dengan antibodi amobil terhadap patogen telah berhasil digunakan untuk mengukur keberadaan patogen dalam sampel air. Penopang yang digerakkan secara piezoelektrik juga telah digunakan untuk mengukur adsorpsi sejumlah kecil biokimia (Raiteri et al., 2001). Conductdetric Transducers. Pemantauan konduktansi solusi pada awalnya diterapkan sebagai metode penentuan laju reaksi. Teknik ini melibatkan pengukuran perubahan konduktansi karena migrasi ion. Banyak reaksi yang dikaitkan dengan enzim menghasilkan perubahan dalam konsentrasi ion total dan ini akan menyiratkan bahwa mereka cocok untuk biosensor konduktor. Kapasitansi Listrik sebagai Transduser. Ketika reaksi biorecognition menyebabkan perubahan konstanta pengukuran dielektrik medium di sekitar bioreceptor, metode pengukuran kapasitansi dapat digunakan sebagai transduser. Reaksi antigen-antibodi adalah contoh yang baik. Misalkan molekul antibodi diimobilisasi antara dua elektroda logam dari daerah yang diketahui. Ketika antigen ditambahkan dan mengikat dengan antibodi, konstanta dielektrik medium antara dua elektroda diharapkan berubah secara signifikan. Perubahan ini diterjemahkan menjadi perubahan kapasitansi. Transduser Termometrik. Semua reaksi kimia disertai dengan penyerapan (endotermik) atau evolusi (eksotermis) panas. Pengukuran ΔH, entalpi reaksi pada temperatur yang berbeda, memungkinkan seseorang untuk menghitung ΔS (entropi) dan ΔG (energi bebas Gibbs) untuk suatu reaksi dan karenanya mengumpulkan data termodinamika dasar. Hidrolisis ATP misalnya adalah eksotermik: ATP4 + H2O~ ADP3- + HPO4- + H+; ΔH298 = -22,2 Kj (pH 7) atau imunoreaksi antara anti-HSA dan antigennya menghasilkan HSA -30,5 kJ / mol. Untuk reaksi terakhir ini, peningkatan total suhu untuk 1 mmol antibodi adalah pada urutan 10–5 K, tetapi banyak reaksi yang dikatalisis oleh enzim memiliki ΔH yang lebih besar, dan menghasilkan perubahan suhu yang lebih mudah diukur.



Thermistor Enzim. Untuk perangkat biosensor, senyawa biorecognition harus diimobilisasi pada elemen sensor suhu yang mampu mendeteksi perubahan suhu yang sangat kecil. Inisiatif utama di bidang ini berasal dari kelompok Mosbach di Universitas Lund. Awalnya, mereka mengimobilisasi glukosa oksidase atau penisilinase dalam kolom kecil, sehingga perubahan suhu dalam limbah kolom dipantau oleh termistor untuk memberikan termistor enzim yang sensitif terhadap glukosa dan penisilin, masing-masing. Mereka juga telah menerapkan teknik ini ke substrat lain dan untuk immunoassay menggunakan antigen berlabel enzim. FET sebagai Transduser. Seiring dengan kemajuan yang dibuat dalam biosensor, kebutuhan telah dikembangkan untuk miniaturisasi dan produksi massal. Transistor efek medan (FET) yang digunakan secara luas di industri semikonduktor dalam chip memori dan chip logika merespons perubahan medan listrik (di depan "gerbang" FET). FET dengan demikian mampu mendeteksi perubahan konsentrasi ion ketika gerbang terpapar ke solusi yang mengandung ion. Oleh karena itu, konsentrasi pH dan ion dapat diukur dengan FET. Keuntungan dari transduser ini adalah dapat langsung dimasukkan ke sirkuit pemrosesan sinyal elektronik. Bahkan, sensor pH berbasis FET ukuran pena sedang dipasarkan secara komersial. Tabel 1.1 Tranduser lain yang digunakan dalam Biosensor.



VI. Rentang Aplikasi Status Biosensor Current Satus. Saat Ini sejak pengembangan sensor glukosa Clark untuk memantau proses fermentasi, banyak elektroda enzim telah dikembangkan berdasarkan amperometri, potensiometri, dan fotometri. Sampel dari biosensor ini diringkas dalam Tabel 1.2, 1.3 dan 1.4. Istilah "optode" (lihat Tabel 1.4) digunakan untuk sensor yang menggunakan serat optik untuk transmisi sinyal cahaya. Perhatikan bahwa bioreseptor yang digunakan adalah semua enzim kecuali sensor antibodi.



Tabel 1.2 Biosensor Amperometik



Tabel 1.3 Biosensor Potensiometrik



Tabel 1.4 Sensor enzim berdasarkan pada optodes produk bioreseptor substrat terdeteksi R



Produk Terdeteksi. Seperti dicatat dalam Tabel 1.2-4, analit secara tidak langsung diukur dengan mengukur produk dari suatu reaksi karena enzim. Dalam Tabel 1.2, oksigen yang sebenarnya diukur, dan konsentrasinya berbanding lurus dengan konsentrasi analit. Untuk amperometri, mayoritas adalah H2O2 (dengan pengecualian NADH), yang merupakan produk umum untuk enzim oksidoreduktase. Untuk biosensor potensiometri, mayoritas adalah asam yang dideteksi oleh sensor pH. Dalam reaktor fermentor dan kultur sel, produk metabolisme CO2 dan NH3 terdeteksi secara tidak langsung dengan mengukur perubahan pH. Konfigurasi Biosensor. Ketika molekul-molekul bioreceptor dikombinasikan dengan transduser yang cocok, sebuah biosensor dibuat. Gambar 1.8 menunjukkan berbagai konfigurasi biosensor. Perhatikan bahwa molekul-molekul bioreseptor diimobilisasi dalam matriks yang sesuai untuk membentuk lapisan bioaktif, yang kemudian ditempatkan di sekitar transduser. Elektroda selektif ion transduser dan FET termasuk dalam kategori transduser potensiometrik; kawat



yang dilapisi termasuk dalam kategori sensor amperometrik; detektor plasmon permukaan dan detektor gelombang akustik permukaan termasuk dalam kategori transduser piezo. Bahan-bahan konstruksi untuk transduser juga diberikan dalam gambar.



Gambar 1.8 berbagai jenis konfigurasi biosensor. Membran Diskriminatif. Membran adalah salah satu komponen paling penting dari suatu biosensor. Mereka digunakan untuk (1) hambatan terhadap molekul non-analit, (2) perlindungan membran enzim-immobilisasi, sehingga mencegah pengotoran; dan (3) mengendalikan rentang operasi biosensor. Ketika molekul kecil adalah analit, makromolekul seperti protein dapat dicegah memasuki area penginderaan aktif dengan menggunakan membran pori kecil. Perhatikan bahwa protein menyerap dengan mudah pada sebagian besar permukaan dan karenanya permukaan penginderaan busuk. Pengangkutan molekul bermuatan dapat dimodulasi dengan menempatkan membran selektif ion. Kombinasi dari berbagai membran diskriminatif dapat digunakan untuk menghalangi jalannya molekulmolekul pengganggu yang berbeda. Perlu dicatat bahwa penggunaan membran diskriminatif meningkatkan jeda waktu karena memperkenalkan resistensi transpor difusif, dan dengan demikian pilihan ketebalannya yang bijaksana sangat penting untuk berfungsinya dengan benar. Persyaratan Sensitivitas. Kisaran dan jenis analit terbagi menjadi luas dan bervariasi nilai-nilai dan dengan demikian tidak dapat dianggap menggunakan



kriteria tunggal. Aplikasi tertentu menentukan rentang konsentrasi yang dibutuhkan. Seringkali ditentukan berdasarkan kisaran konsentrasi target yang diharapkan dalam sampel. Misalnya, rentang konsentrasi metabolit sering dalam kisaran uM, sedangkan hormon berada dalam kisaran nM. Virus dan patogen ditemukan dalam 10-10.000 per mL. Dengan demikian jelas bahwa seringkali pendekatan yang bervariasi diperlukan untuk sensor yang dirancang untuk metabolit dibandingkan dengan mengukur antigen tumor. Evolusi Biosensor.



Biosensor dapat diklasifikasikan ke dalam tiga generasi



sesuai dengan tingkat integrasi komponen-komponen yang terpisah-yaitu metode perlekatan molekul biorecognition atau bioreceptor ke elemen transduser dasar. Pada generasi pertama, bioreceptor secara fisik terperangkap di sekitar sensor dasar di balik membran diskriminatif seperti membran dialisis. Pada generasi berikutnya, imobilisasi dicapai melalui ikatan kovalen pada antarmuka transduser yang sesuai atau dengan penggabungan ke dalam matriks polimer pada permukaan transduksi. Pada generasi kedua, komponen individu pada dasarnya tetap berbeda (mis., Kontrol elektronik - elektroda - biomolekul), sedangkan pada generasi ketiga molekul bioreceptor menjadi bagian integral dari elemen penginderaan dasar (Gambar 1.10). Sementara definisi ini mungkin dimaksudkan untuk sistem elektroda enzim, klasifikasi serupa yang sesuai untuk biosensor secara umum dapat dibuat. Pada generasi kedua dan ketiga dari keluarga inilah usaha pembangunan utama sekarang dapat dilihat.



Gamabr 1.9 dan 1.10 Rentang deteksi untuk beberapa analit secara klinis; Tiga generasi Biosensor.



VII.



Prospek



Masa



Depan. Dalam beberapa tahun terakhir, bidang



nanoteknologi yang muncul telah menghasilkan bahan yang sangat menarik, beberapa



di



antaranya



memberikan



peluang bagi



teknologi



transduksi



penginderaan baru yang berguna untuk pengembangan biosensor. Selain itu, penggunaan teknik perakitan mandiri dan sistem nano-elektromekanis telah menghasilkan metodologi penginderaan laboratorium baru. Beberapa pendekatan ini, meskipun tidak kuat untuk instrumentasi analitik umum atau penggunaan lapangan, akan muncul di masa depan sebagai sensor praktis. Diskusi singkat yang diberikan di bawah ini adalah untuk memberikan gambaran tentang metode yang muncul. Sensor perubahan massa bergantung pada perubahan frekuensi resonansi, karena frekuensi alami bergantung pada massa massa yang berosilasi. Dalam kategori ini, quartz crystal microbalance (QCM) atau osilator mode geser ketebalan telah banyak digunakan untuk mendeteksi keberadaan antigen dengan memodifikasi permukaan QCM dengan antibodi khusus untuk antigen target. Prinsip yang sama telah dicoba dalam bentuk lain dari perangkat osilasi, seperti silikon mikrosantileve,



mikrosantilever



yang



bersemangat



piezoelektrik,



sensor



gelombang akustik permukaan (SAW) dan lainnya. Dalam perangkat SAW, elektroda berada di sisi yang sama dari kristal dan transduser interdigital bertindak sebagai pemancar dan penerima untuk merangsang gelombang permukaan yang bergerak melintasi permukaan kristal. Perubahan pada gelombang yang disebabkan oleh target pengikatan antigen ke permukaan terbatas pada permukaan kristal,



dan



diukur.



Sensor



SAW



jauh



lebih



banyak



sensitif daripada QCM, tetapi ketika fase air hadir di permukaan, sinyal sangat dilemahkan. Di sisi lain, ketika tidak ada larutan cair yang bersentuhan, itu memberikan pengukuran yang sangat sensitif untuk komposisi fase gas. Spektroskopi Raman adalah alat yang berguna untuk analisis karena kemampuan identifikasi kelompok kimianya yang sangat baik; Namun, keterbatasannya adalah sensitivitas rendah. Pengamatan terbaru bahwa efisiensi hamburan Raman dapat ditingkatkan dengan banyak urutan besarnya ketika analit diserap atau dekat permukaan emas atau perak telah membuat teknik ini metodologi penginderaan



yang sangat kuat. Teknik yang dimodifikasi ini, dikenal sebagai hamburan Raman surfaceenhanced (SERS), telah terbukti cocok dalam pengaturan laboratorium untuk mengamati hibridisasi DNA. Dengan demikian, untaian tunggal fragmen DNA dapat dilabeli dengan probe SERS. Probe SERG yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengidentifikasi gen atau mendeteksi komponen bakteri dan virus. Peningkatan lebih lanjut dapat dicapai dengan menggunakan asam nukleat peptida (PNA), yang awalnya dikembangkan sebagai obat penargetan gen. PNA telah menunjukkan sifat hibridisasi yang luar biasa terhadap oligonukleotida komplementer. Akibatnya, biosensor yang didasarkan pada penggantian lapisan pengenalan DNA dengan PNA satu, menawarkan perbedaan yang ditingkatkan secara signifikan antara sekuens DNA yang terkait erat, serta beberapa keuntungan menarik lainnya. Ada juga banyak minat dalam sensor biofotonik dan sensor DNA (Junhui et al., 1997). Sebagai contoh, peningkatan resonansi karena partikel nano emas yang terikat pada molekul pengenalan telah terbukti efektif dalam biofotonik. Kelebihan fotonik adalah kemampuan untuk mengukur tanpa menghubungi sampel. Penggunaan serat optik dan variannya telah menyediakan sumber yang kaya elemen transduksi. Dalam kasus-kasus ini, permukaan serat (kaca) diderivatisasi dengan gugus amina dan kemudian secara kovalen dihubungkan dengan suatu bioreseptor melalui gugus karboksilat. Ketika analit mengikat, karakteristik transmisi cahaya diubah dan diukur. Karena ketersediaan sumber cahaya monokromik yang murah (dioda pemancar cahaya) dan perangkat penginderaan cahaya yang murah (dioda foto), perangkat biofotonik menawarkan platform penginderaan yang relatif murah. Dalam bab ini, tinjauan biosensor disajikan, berbagai elemen biosensor dijelaskan, dan ulasan singkat tentang bioreseptor dan mekanisme transduksi disediakan.



Referensi: J.S. Wilson. Sensor Technology Handbook. Newnes is an imprint of Elsevier. United States of America. 2005.