>> 自然の科学 >  >> 生き物

バイオセンサーとは

<ブロック引用>

バイオセンサーは、生物学的サンプルを感知できる生物分析システムです。それらは、生物学的サンプルを分析してその機能、組成、および構造を理解することができる小型で強力なデバイスです。これは、生体信号または応答を測定可能な応答に変換することによって達成されます。

バイオセンサー 、単語を「バイオ」と「センサー」に分けると、それらが何であるかをよりよく理解できます.

バイオセンサーは、生体サンプルを感知できる生物分析システムです。それらは、生物学的サンプルを分析してその機能、組成、および構造を理解できる小型で強力なデバイスです。これは、生物学的信号または応答を測定可能な応答に変換することによって達成されます。

定期的な血糖値のモニタリングにグルコメーター、酸素飽和レベルと脈拍数の測定に指先パルスオキシメーター、毎日の身体活動のモニタリングにスマートウォッチを使用している人を見たことがあるかもしれません。これらの血糖値計、パルス酸素濃度計、スマートウォッチはすべてバイオセンサーの例です。

この技術には、ヘルスケアに限定されないいくつかのアプリケーションがあります。それらは創薬と病気の予防に不可欠であり、環境、土壌、水、食物の質を監視することもできます.それらは、代謝工学、人工装具の適切な機能の監視、生体防御にも使用されます。

「クラーク電極」として知られる最初のバイオセンサーは、1956 年に Leland C. Clark によって酸素を検出するために開発されました。バイオセンシングの分野における彼の研究により、彼は「バイオセンサーの父」として認められました。最初の商用バイオセンサーは、1975 年に「Yellow Springs Instruments」によって開発されました。

これらのバイオセンサーがどのように機能するか見てみましょう.

血糖値を監視するための侵襲的バイオセンサーの一例として、血糖値計があります。パルス酸素濃度計は、非侵襲的バイオセンサーの一例です。スマートウォッチは、日常的に使用される非侵襲的なバイオ センサーです。 (写真提供:twenty20)

バイオセンサーの一般的な働き

生物学的サンプルまたは検体を入れる場合 バイオセンサーでは、バイオセンサーは生物学的解釈を持つデジタル読み取り値を提供します。アナライトは、検出する必要がある対象物質です。

生物学的要素はどのようにデジタル情報または測定可能な反応に変換されますか?これは、生物学的認識要素、信号変換器、信号増幅器、信号プロセッサ、ディスプレイ ユニットなど、バイオ センサー内に存在するさまざまなコンポーネントによって実現されます。

これらの各コンポーネントが何をするか見てみましょう。

生物学的サンプル(分析物)が適用されると、認識要素が分析物に存在するバイオマーカーを検出します。バイオマーカーは、疾患状態の決定因子または生物の生理機能の変化として使用できる任意の化合物またはシグナルである可能性があります。トランスデューサーは、この生物学的変化を電気信号に変換します。このアナログ信号は、信号増幅器によって増幅されます。シグナル プロセッサは、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、LCD 画面に表示します。

バイオセンサーのさまざまなコンポーネントには、バイオ素子、トランスデューサー、アンプ、プロセッサー、ディスプレイ ユニットが含まれます。

バイオセンサーの特徴

生物医学的診断では、バイオ センサーの使用は、日常的な検査技術に比べていくつかの利点があります。小さくて使いやすく、安価で、すぐに結果が得られるからです。

バイオセンサーの性能は、いくつかの重要な特性に基づいています。

バイオセンサーは、特定の検体の存在を検出する能力において選択的でなければなりません。バイオセンサーによって生成された結果は再現可能である必要があります。つまり、バイオセンサーは、いくつかの同一のサンプルに対して同一の読み取り値を生成できる必要があります。

測定値は、バイオ センサーによって検出された値と従来の方法によって得られた値の間の変動を最小限に抑えて、正確である必要があります。バイオセンサーの性能は安定している必要があり、温度の外部変化の影響を受けてはなりません。微量の検体でも検出できる高感度で、測定値は検体の広い濃度範囲で直線的でなければなりません。

バイオセンサーの検体の種類

多くの人は、血液がバイオセンシングに使用される唯一の体液であると信じているかもしれませんが、それは真実ではありません.血液以外にも、唾液、汗、尿、涙、息もいくつかのバイオマーカーの検出に使用できます。

いくつかの例を見てみましょう。

血液ベースのバイオセンサーは、ブドウ糖などの血液成分を監視するために使用されます。

唾液ベースのバイオ センサーは、侵襲的な血液ベースのバイオ センサーと比較して、ブドウ糖の検出に徐々に人気を集めています。これらは、乳酸やコルチゾールなどの特定の化学物質のレベルを検出するためにも使用できます。

汗ベースのバイオセンサーは、グルコース、乳酸、アスコルビン酸、尿酸などの化合物のレベルを検出できますが、妊娠キットは尿ベースのバイオセンサーの好例です。

涙は、ブドウ糖、アルコール、および特定のビタミンの量を推定するために使用できますが、呼気ベースのバイオセンサーは、アルコールの痕跡を検出するために警察署で日常的に使用されています.

バイオセンサーの種類

血糖値をチェックするために使用される指刺しグルコメーターのようなバイオセンサーでは、ユーザーは指を刺して血液サンプルを生物学的分析物として使用する必要があります。これは、侵襲的なバイオ センサーの例です。対照的に、パルスオキシメータの使用では、ユーザーは指先を機器の中に挿入するだけで済みます。これは非侵襲性バイオセンサーの一例です。

したがって、必要な生物学的分析物がどのように適用されるかに基づいて、バイオセンサーは侵襲性または非侵襲性に分類される可能性があります。

バイオセンサーはまた、生物学的認識要素のタイプおよび使用される変換機構に基づいて分類することができる。バイオセンサーの認識要素は、DNA、抗体、酵素、ファージ、組織、細胞受容体、微生物の全細胞などです。

バイオセンサーの設計に使用されるトランスデューサーの種類に応じて、光学バイオセンサー、電気化学バイオセンサー、または質量ベースのバイオセンサーに分類できます。

光ファイバーは、光の蛍光、吸収、および散乱の特性に基づいて生物学的分析物を検出することにより、光バイオセンサーの機能において重要な役割を果たします。それらは本質的に非電気的であり、測定は屈折率の変化に基づいています。

電気化学バイオセンサーは本質的に電気的であり、センシング分子または認識要素がサンプル分析物と相互作用します。生成される電気信号は、多くの場合、検体の濃度に比例します。

質量ベースのバイオセンサーは、生成される電気信号が感知分子の機械的または音響 (音) 振動に比例する電気バイオセンサーです。

一般的に使用されるバイオセンサー

最も一般的に使用されているバイオ センサーは、間違いなく、血液または唾液ベースのグルコース バイオ センサーまたはグルコメーターと、尿ベースの妊娠ストリップ テストです。

グルコメーター

最初の商業生産されたグルコース バイオセンサーは、1975 年に Yellow Springs Instrument によって製造されました。それ以来、グルコース バイオセンサーの設計と性能は劇的な進歩を遂げました。

史上初のグルコメーターと現在使用されているグルコメーターの比較は、バイオセンサー技術が経験した技術的進歩を反映しています。

第一世代のグルコースバイオセンサーは、大気中の酸素を基質として使用し、過酸化水素の生成を検出しました。第 2 世代のバイオセンサーは、酸素を、酵素から電極に電子を運ぶ機能を持つ他の電子メディエーターに置き換えました。第三世代のバイオセンサーは、完全に試薬を必要としませんでした。電子メディエーターは使用されなくなり、酵素が電子を電極に直接転送しました。

これらの進歩は、血液と唾液を使用した糖尿病のタイムリーなスクリーニング、診断、および管理に不可欠でした。

ユーザーの観点からは、サンプル収集が非侵襲的 (痛みが少ないかまったくない) であり、感度が向上しているため、唾液ベースのバイオセンサーがより好まれる可能性があります。

妊娠ストリップ

他の最も一般的に使用されているバイオセンサーは妊娠検査ストリップです。これは抗体ベースで、血液または尿からの HCG (ヒト絨毛性ゴナドトロピン) の存在を決定します。

認識要素は、抗 HCG 抗体であり、血液/尿 (存在する場合) の HCG と凝集し、凝集線を形成します。ラインが存在する場合は妊娠検査陽性を示し、ラインがない場合は妊娠検査が陰性であることを示します。

この写真は、バイオセンサー技術が時間とともにどのように進歩したかを明確に示しています。最大のグルコメーターは最初のもの (1983 年) で、読み取り時間は 2 分ですが、最新の技術を備えた最小のハンドヘルド デバイス (2004 年) の読み取り時間はわずか 7 秒です。妊娠検査キットは、妊娠のバイオマーカーであるHCGを検出するための抗体ベースのセンサーです。 1 本の線は妊娠の否定的な指標であり、2 本の線の存在は妊娠を示します。 (写真提供:twenty20)

結論

バイオセンサーは、生物学的知識と技術的進歩の強力な統合を表しています。それらは、さまざまな分野で広く使用されています。この方法は、迅速、特異的、簡単、安価に使用でき、試薬の使用量を減らして迅速な結果を提供します。バイオセンサー技術は、過去 2 ~ 30 年間で過酷な進化を遂げました。この業界の将来のビジョンは、マイクロ スケールのテクノロジーを作成して、業界をより小さくすると同時により便利にすることです!


  1. 脊索と脊柱の違いは何ですか
  2. 接合子とは何ですか?胚との違いは?
  3. コウモリが哺乳類である理由
  4. 耳はなぜ音を聞くのか
  5. 塩辛いものを食べると喉が渇くのはなぜ?
  6. 遺伝子マッピングと遺伝子配列決定の違いは何ですか