バイオトランスデューサー
バイオトランスデューサーの種類に基づくバイオセンサー

バイオトランスデューサーは、バイオセンサーシステムの認識・変換コンポーネントです。バイオトランスデューサーは、バイオ認識層と物理化学的 トランスデューサーという密接に結合した2つの部分で構成され、これらが連携して生化学信号を電子信号または光信号に変換します。バイオ認識層には通常、酵素または抗体などの結合タンパク質が含まれています。ただし、オリゴヌクレオチド配列、細胞小器官（例：ミトコンドリア）や受容体を運ぶ断片（例：細胞壁）、単一の細胞全体、合成足場上の少数の細胞、または動物または植物組織の薄切片もバイオ認識層を構成する場合があります。バイオ認識層はバイオセンサーに選択性と特異性を与えます。物理化学的トランスデューサーは通常、認識層と密接に、かつ制御された状態で接触しています。分析対象物質（対象物質）の存在と生化学的作用の結果として、生体認識層内で物理化学的変化が生じ、これが物理化学的トランスデューサーによって測定され、分析対象物質の濃度に比例した信号が生成されます。 [1] 物理化学的トランスデューサーには、電気化学的、光学的、電子的、重量測定式、焦電式、または圧電式があります。バイオトランスデューサーの種類に基づいて、バイオセンサーは右に示すように分類できます。

電気化学的バイオトランスデューサー

電気化学バイオセンサーは、標的分析物と選択的に反応し、分析物の濃度に比例した電気信号を生成する生体認識素子を備えています。一般的に、生体認識イベント中の電気化学的変化を検出するために使用できるアプローチはいくつかあり、これらは電流測定法、電位測定法、インピーダンス測定法、導電率測定法に分類できます。

アンペロメトリック

アンペロメトリックトランスデューサーは、電気化学的酸化または還元の結果として生じる電流の変化を検出します。通常、バイオレセプター分子は作用電極（通常は金、炭素、または白金）上に固定されます。作用電極と参照電極（通常はAg/AgCl）間の電位を一定値に固定し、電流を時間経過とともに測定します。印加電位は電子移動反応の駆動力となります。生成される電流は、電子移動速度の直接的な指標となります。電流はバイオレセプター分子と分析対象物質の間で起こる反応を反映し、分析対象物質の電極への質量輸送速度によって制限されます。

電位差計

電位差測定センサーは、電気化学セルの電位または電荷蓄積を測定します。トランスデューサーは通常、イオン選択電極（ISE）と参照電極で構成されます。ISEは、対象となる荷電イオンと選択的に相互作用し、参照電極と比較して電荷電位を蓄積する膜を備えています。参照電極は、分析対象物質の濃度の影響を受けない一定の半電池電位を提供します。高インピーダンス電圧計は、 2つの電極間に電流が流れていない、または有意な電流が流れていないときに、2つの電極間の起電力または電位を測定するために使用されます。電位差測定応答はネルンストの式に従属し、電位は分析対象物質の濃度の対数に比例します。

インピーダンス

電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、生体認識イベントによって引き起こされる抵抗および容量の変化を測定する手法です。通常、小振幅の正弦波電気刺激を印加することで、バイオセンサーに電流が流れます。周波数を一定範囲にわたって変化させることで、インピーダンススペクトルが得られます。インピーダンスの抵抗成分と容量成分は、同位相および逆位相の電流応答から決定されます。通常、従来の3電極システムは、生体認識素子を表面に固定することで、分析対象物に特異的に設計されます。電圧を印加し、電流を測定します。分析対象物の結合に伴い、電極と溶液間の界面インピーダンスが変化します。インピーダンスアナライザは、刺激の制御と印加、およびインピーダンスの変化の測定に使用できます。

導電率測定

導電率測定センシングは、サンプル溶液または媒体の導電特性の変化を測定するものです。生体分子と分析対象物質の反応によりイオン種の濃度が変化し、溶液の導電率、つまり電流の流れが変化します。2つの金属電極を一定の距離で分離し、両電極間に交流電位を印加すると、電極間に電流が流れます。生体認識イベントが発生するとイオン組成が変化し、抵抗計を用いて導電率の変化を測定できます。

光バイオトランスデューサー

光バイオトランスデューサーは、シグナル伝達用の光バイオセンサーに使用され、光子を用いて分析対象物に関する情報を収集します。[2]これらは、高感度、高特異性、小型、そして費用対効果に優れています。

光バイオトランスデューサーの検出メカニズムは、分析対象物質を作用電極で酸化または還元される生成物に変換する酵素システムに依存します。[3]

エバネッセント場検出原理は、光バイオセンサーシステムにおいて、変換原理として最も一般的に用いられています。この原理は最も感度の高い検出方法の一つであり、光ファイバー近傍に存在する蛍光体のみを検出することができます。 [4]

FETベースの電子バイオトランスデューサー

電子バイオセンシングは、高感度と新しいセンシングメカニズム、局所検出のための高空間分解能、標準的なウェーハスケール半導体プロセスとの容易な統合、非破壊的な方法でのラベルフリーのリアルタイム検出の点で、光学的、生化学的、生物物理学的方法に比べて大きな利点があります[6]。

電界効果トランジスタ（FET）をベースとしたデバイスは、標的の生体分子とFET表面との相互作用を読み取り可能な電気信号に直接変換できるため、大きな注目を集めています。FETでは、電流はソースとドレインに接続されたチャネルに沿って流れます。ソースとドレイン間のチャネルコンダクタンスは、薄い誘電体層を介して容量結合されたゲート電極によってオン/オフされます[6]。

FETベースのバイオセンサーでは、チャネルが環境と直接接触しているため、表面電荷をより適切に制御できます。チャネル表面で発生する生物学的イベントが半導体チャネルの表面電位を変化させ、チャネルコンダクタンスを変調させるため、表面FETベースのバイオセンサーの感度が向上します。デバイスアレイのオンチップ統合の容易さとコスト効率の高いデバイス製造に加えて、FETベースのバイオセンサーは表面超高感度という特性を有しており、既存のバイオセンサー技術の魅力的な代替技術となっています[6]。

重量測定/圧電バイオトランスデューサー

重量測定バイオセンサーは、質量の変化に対する応答という基本原理を利用しています。ほとんどの重量測定バイオセンサーは、共振結晶 ( QCM ) またはバルク/表面弾性波 ( SAW ) デバイスのいずれかとして、薄い圧電水晶を使用しています。これらの大部分において、質量応答は結晶の厚さに反比例します。また、表面質量が既知の生体分子を表面に追加できる薄いポリマーフィルムも使用されます。薄膜に音波を投射して振動デバイスを作成すると、QCM 法で使用される Sauerbrey の式とほぼ同じ式に従います。[5] タンパク質や抗体などの生体分子が結合し、その質量変化からサンプル内の対象分析物の存在に比例した測定可能な信号が得られます。

焦電型バイオトランスデューサー

焦電型バイオセンサーは、温度変化によって電流を発生させます。この温度差によって物質に分極が生じ、温度勾配の方向に双極子モーメントが生じます。その結果、物質全体に正味電圧が発生します。この正味電圧は、以下の式で計算できます。[6]

Δ V = ω P A r Δ T ( 1 + ω 2 τ E 2 ) − 1 / 2 {\displaystyle \Delta V=\omega PAr\Delta T\left(1+\omega ^{2}\tau _{E}^{2}\right)^{-1/2}}

τ E = r C {\displaystyle \tau _{E}=rC}

ここで、V = 電圧、ω = 変調入射角周波数、P = 焦電係数、L = フィルムの厚さ、ε = フィルムの誘電率、A = フィルムの面積、r = フィルムの抵抗、C = フィルムの静電容量、τE = 検出器出力の電気時定数です。

参照

参考文献

  1. ^ Wang, J. (2008). 「電気化学的グルコースバイオセンサー」. Chemical Reviews . 108 (2): 814– 825. doi :10.1021/cr068123a. PMID  18154363.
  2. ^ セルゲイ・M・ボリソフ、オットー・S・ウォルフバイス、「光バイオセンサー」、化学レビュー、2008年、第108巻、第2号
  3. ^ Ligler, Frances S.; Rowe Taitt, Chris A. 光バイオセンサー - 現在と未来. Elsevier. 2002
  4. ^ AP Abel、MG Weller、GL Duveneck、M. Ehrat、M. Widmer、「オリゴヌクレオチド検出のための光ファイバーエバネッセント波バイオセンサー」Anal. Chem、1996、68、2905-2912。
  5. ^ PW Walton; MR O'Flaherty; ME Butler; P. Compton (1993). 「薄いポリマーフィルム中の音波に基づく重力バイオセンサー」.バイオセンサーとバイオエレクトロニクス. 8 ( 9–10 ): 401–407 . doi :10.1016/0956-5663(93)80024-J.
  6. ^ Heimlich他著『バイオセンサー技術：基礎と応用』Marcel Dekker, INC.: New York, 1990. 338頁
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