바이오트란스두서

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바이오트랜스듀서는 바이오센서 시스템의 인식-전송 요소다.그것은 두 개의 밀접하게 연결된 부분으로 구성되어 있다; 생물 인식 층과 물리화학 변환기가 함께 작용하여 생화학적 신호를 전자 또는 광학 신호로 변환한다.생물 인식층은 일반적으로 효소나 항체와 같은 다른 결합 단백질을 포함하고 있다.단, 올리고뉴클레오티드 시퀀스, 오르가넬(예: 미토콘드리아) 및 수용체 운반 조각(예: 세포벽), 단일 전세포, 합성 비계 위의 소량의 세포 또는 동물이나 식물 조직의 얇은 조각도 생물 인식층으로 구성될 수 있다.그것은 바이오센서 선택성과 특수성을 제공한다.이화학 변환기는 일반적으로 인식 계층과 밀접하고 제어되는 접촉에 있다.분석물질(관심 대상)의 존재와 생화학적 작용의 결과, 물리화학적 변화는 물리화학적 변환기에 의해 측정되는 생물인지층 내에서 생성되어 분석물질의 농도에 비례하는 신호를 생성한다.^[1]이화학 변환기는 전기화학, 광학, 전자, 중력, 화력 또는 압전일 수 있다.바이오트랜스듀서의 종류에 따라 바이오센서를 우측으로 분류할 수 있다.null

전기화학적 바이오트랜스듀서

전기화학 바이오센서는 대상 분석물질과 선택적으로 반응하여 분석물질 농도에 비례하는 전기 신호를 생성하는 생물학적 인지 요소를 포함하고 있다.일반적으로 생물 인지 사건 중 전기화학 변화를 감지하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 접근방식이 있으며, 이러한 접근방식은 전류계, 전위계, 임피던스, 전도계 등으로 분류할 수 있다.null

암페로미터

전류계 변환기는 전기화학적 산화 또는 감소에 따른 전류 변화를 감지한다.일반적으로 생체수용체 분자는 작동하는 전극(일반적으로 금, 탄소 또는 백금)에서 고정된다.작동 전극과 기준 전극(일반적으로 Ag/AgCl) 사이의 전위는 값으로 고정된 다음 시간에 따라 전류를 측정한다.적용된 전위는 전자전달반응의 원동력이다.생성된 전류는 전자 전달 속도를 직접 측정하는 것이다.전류는 생물수용체 분자와 분석 물질 사이에 발생하는 반응을 반영하며 전극에 대한 분석 물질의 대량 전달 속도에 의해 제한된다.null

전위차계

전위차계 센서는 전기화학 셀의 전위 또는 전하 축적을 측정한다.변환기는 일반적으로 이온 선택 전극(ISE)과 기준 전극으로 구성된다.ISE는 충전된 관심 이온과 선택적으로 상호작용하는 막을 특징으로, 기준 전극에 비해 충전 전위가 축적된다.기준 전극은 분석 물질 농도의 영향을 받지 않는 일정한 반전지 전위를 제공한다.고임피던스 전압계는 두 전극 사이에 유의한 전류가 0 또는 전혀 흐르지 않을 때 두 전극 사이의 기전력 또는 전위를 측정하는 데 사용된다.전위차계 반응은 잠재력이 분석물질 농도의 로그에 비례한다는 점에서 네른스트 방정식의 지배를 받는다.null

임피던스

전기화학 임피던스 분광법(EIS)은 생물 인지 이벤트에 의한 저항성 및 용량성 변화를 측정하는 것을 포함한다.전형적으로 작은 진폭 정현상 전기 자극이 가해져 전류가 바이오센서를 통해 흐르게 한다.주파수는 임피던스 스펙트럼을 얻기 위해 범위에 걸쳐 변화한다.임피던스의 저항성 및 용량성 구성요소는 위상 및 위상 외 전류 응답에서 결정된다.일반적으로 기존의 3전극 시스템은 생물학적 인지 요소를 표면에 고정시킴으로써 분석 물질에 특정된다.전압이 인가되고 전류가 측정된다.전극과 용액 사이의 계면 임피던스는 분석 물질 결합의 결과로 변화한다.임피던스 분석기는 임피던스 변화를 측정할 뿐만 아니라 자극을 제어하고 적용하는 데 사용될 수 있다.null

전도도계법

전도계 감지에는 표본용액 또는 매질의 전도성 특성 변화를 측정하는 것이 포함된다.생체 분자와 분석 물질 사이의 반응은 이온 종 농도를 변화시켜 용액의 전기 전도도나 전류 흐름의 변화를 이끈다.두 개의 금속 전극이 일정한 거리에서 분리되고 AC 전위가 전극에 걸쳐 작용하여 전극 사이에 전류가 흐르게 한다.생체 인식 이벤트 동안 이온 구성이 변화하며 저항계를 사용하여 전도성의 변화를 측정할 수 있다.null

광학 바이오랜스듀서

광학 바이오센서에서 신호 전달을 위해 사용되는 광학 바이오랜스듀서는 분석 물질에 대한 정보를 수집하기 위해 광자를 사용한다.^[2]이것들은 매우 민감하고, 매우 구체적이며, 크기가 작고, 비용 효율적이다.null

광학 바이오트랜스듀서의 검출 메커니즘은 분석 물질을 작용 전극에서 산화되거나 감소되는 제품으로 변환하는 효소 시스템에 의존한다.^[3]null

전도의 원리로서 광학 바이오센서 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 반사 원리다.이 원리는 가장 민감한 검출 방법 중 하나이다.광섬유의 근접한 곳에서만 불소체 탐지가 가능하다.^[4]

FET 기반 전자 바이오트랜스듀서

전자 바이오센싱은 고감도 및 새로운 감지 메커니즘, 국부적 탐지를 위한 높은 공간 분해능, 표준 웨이퍼 스케일 반도체 프로세싱과의 유연한 통합 및 비파괴적인 방식으로 실시간 탐지를 한다는 점에서 광학, 생화학적, 생물물리학적 방법에 비해 상당한 이점을 제공한다[6].null

현장 효과 트랜지스터(FET)에 기반한 장치는 대상 생물학적 분자와 FET 표면 사이의 상호작용을 판독 가능한 전기 신호로 직접 변환할 수 있기 때문에 큰 관심을 끌었다.FET에서는 전류가 소스와 배수구에 연결된 채널을 따라 흐른다.소스와 배수관 사이의 채널 전도성은 얇은 유전층을 통해 정전적으로 결합되는 게이트 전극에 의해 켜지거나 꺼진다[6].null

FET 기반 바이오센서에서는 채널이 환경과 직접 접촉하고 있어 표면 전하를 보다 잘 제어할 수 있다.이는 채널 표면에서 발생하는 생물학적 사건이 반도체 채널의 표면 전위변동을 초래한 후 채널 전도성을 변조할 수 있기 때문에 표면 FET 기반 바이오센서의 민감도를 개선한다.장치 어레이의 온칩 통합과 비용 효율적인 장치 제작의 용이성뿐만 아니라 FET 기반 바이오센서의 표면 초음파 민감성은 기존 바이오센서 기술에 대한 매력적인 대안이 된다[6].null

중력계/피조전기 바이오트랜스듀서

중력 바이오센서는 질량 변화에 대한 반응의 기본 원리를 사용한다.대부분의 중력계 바이오센서는 공진결정(QCM) 또는 벌크/표면 음향파(SAW) 장치로 얇은 피에조 석영 결정을 사용한다.이들 대다수의 경우 질량 반응은 결정 두께에 반비례한다.얇은 폴리머 필름은 알려진 표면 질량으로 표면에 생체 분자를 첨가할 수 있는 것도 사용된다.음향파는 박막에 투영되어 진동소자를 만들 수 있으며, 이는 QCM 방법에 사용되는 사우어브레이 방정식과 거의 동일한 방정식을 따른다.^[5]단백질이나 항체와 같은 생체 분자는 결합할 수 있으며 질량의 변화는 표본 내 표적 분석 물질의 존재에 비례하는 측정 가능한 신호를 제공한다.null

화력 바이오트랜스듀서

열전 바이오센서는 온도 변화로 인해 전류를 발생시킨다.이 차이는 물질에 양극화를 유발하여 온도 구배 방향으로 쌍극 모멘트를 생성한다.그 결과는 물질에 걸친 순 전압이다.이 순 전압은 다음과 같은 방정식으로 계산할 수 있다.^[6]null

${\displaystyle \Delta V=\omega PAR\Delta T\left(1+\omega ^{2}\tau _{E}^{2}\오른쪽)^{-1/2}}$

${\displaystyle \tau _{E}=rC}$

여기서 V = 전압, Ω = 변조된 인시던트의 각도 주파수, P = 열전 계수, L = 필름 두께, ε = 필름 유전체 상수, A = 필름의 영역, r = 필름의 저항, C = 필름의 정전 용량, τE = 검출기 출력의 전기 시간 상수.null

참고 항목

참조