BIOCAPTEURSUn outil révolutionnaire ?
BIOCAPTEUR
Définition: Un biocapteur est un outil analytique qui transforme une information chimique en un signal electromagnétqiue utilisable
Un biocapteur est formé de deux parties : un biorécepteur (élément de reconnaissance) et un transducteur
Biocapteur : Définition (IUPAC)
D.R. Thévenot, K. Toth, R.A. Durst & G.S. Wilson(1999) Electrochemical biosensors: recommendeddefinitions and classification. Pure and AppliedChemistry, 71 (12), 2333-2348
Self-contained, integrated device Nomenclature - Biological recognition element = receptor - Physico-chemical transducer = transducer Ability to be repeatibly calibrated - Either continuous operation - Or rapidly and reproducibly regenerated
2 Récepteur biologique
4 Transduction
1 composé à analyser
3 Méthode d’immobilisation Type de surface
5 Processeur
BIOCAPTEUR : éléments
Ne sont PAS des biocapteurs :
•Capteurs chimiques ou physique utilisés pour le contrôle des processus biologiques (par ex. pH in vivo ou mesure de la pression artérielle)
•Systèmes analytiques qui utilisent d’autres appareils comme la chromatographie liquide haute pression (HPLC) ou l’analyse en injection de flux (FIA)
- - Concept - Lyons and Clark (1956)Concept - Lyons and Clark (1956) - Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969)- Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969) - - Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973)Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973) - Enzyme Thermistor – Mosbach (1974)- Enzyme Thermistor – Mosbach (1974) - Microbial Electrodes – Divis (1975)- Microbial Electrodes – Divis (1975) - Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975)- Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975) - Biostator – Clemens et al. (1976)- Biostator – Clemens et al. (1976) - Immnosensor – Liedberg et al. (1982)- Immnosensor – Liedberg et al. (1982) - - Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987)Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987) - BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990)- BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990) - NanoSensor – Vo-Dinh (2000)- NanoSensor – Vo-Dinh (2000)
HISTOIRE DES BIOCAPTEURS
Mining bird (Carbon monoxide)
Glucose
Pregnancy test Anthrax
BIOCAPTEUR
Souhaits du marché
-portable-microinstrumentation
Biologie-bioreconnaissance-protéine modifiée-recepteur-DNA
Physique-optique-semiconducteur
Instrumentation
-portable-instrumentation
Electronique
-optoelectronique-silicium-analyse données-contrôle
Chimie-immobilisation-membranes-polymers-matériaux d’électrode-biorécepteurs synthétiques
BIORECEPTORRécepteur biocatalytique
- enzyme (mono or multi enzyme)- cellules entières (bacterie, champignon,
levure,cellule eukaryote)- organites (mitochondrie, membrane
cellulaire)- tissu (plant or animal tissue slice)
Récepteur d’affinité - reaction anticorps-antigène- fragment d’ADN- tissu animal ou végétal
Membranes Membranes biomimétiquesbiomimétiques
LES RECEPTEURS BIOLOGIQUES
Enzymes REDOX s (reductases, oxidases, oxydo-réductases). Electrons produits/consommés.
Transducteur ampéromètrique.
Enzymes hydrolytiques (proteases, lipases, esterases). Protons produits/consommés.Transducteurs potentiomètrique ou conductimètrique.
Réactions enzymatiques couplées : avec la peroxidase, la luciferase donne une réaction colorée ou emet des photons photons.
Transducteurs optiques.
1. Enzymes
Catalysent les réactions : Amplification du signal
Les récepteurs protéiques sont localisés à la surface des cellules ou inclus dans les membranes. Ils sont souvent utilisés dans les membranes intactes.
Interfaçage biologie cellulaire avec la micro-electronique: cellule nerveuse sur “chip”
2. Récepteur Protéique
Nerve cell receptor: acetyl choline receptor protein
• When acetylcholine is released at the junction of nerve cells….
• It binds to the receptor protein in the cell membrane
• nerve cell responds by changing its membrane potential: the nerve cell signals
sites de fixation de l’antigène
Chaîne légère
Chaînelourde
3. Anticorps et antigènes
Très sélectifs et interactions très fortes Désavantage: pas d’effet catalytique , nécessité de marquage (souvent fluorescent) de l’anticorps ou de l’antigène pour des transducteurs optiques
Transducteur piezo electric : modification de la fréquence de vibration du quartz lors de la réaction antigène -anticorps
4. ADN : acide déoxyribonucléique
Biocapteurs pour le diagnostic basés sur l’ADN et L’ARN dans le format chip utilisé pour la détection des modifications génétiques ou expression des protéines L’ADN et l’ ARN peuvent être synthesisés au laboratoire.
L’hybridation peut être controlée facilement à l’aide de la température
L’hybridation peut être analysée optiquement.
LIAISONS HYDROGENES
5. Les membranes à empreinte moléculaire
MonomèresFonctionalis
és
Agent réticulant
+
Polymérisation ExtractionComplexation
MatriceAnalyse
+
LES TRANSDUCTEURS
• Electrochimique potentiométrique, FET, ampérométrique,
conductimètrique, impédimètrique
• Optique UV/visible absorption, fluorescence, Bioluminescence,
SPR
• Thermique
• Cristal piézoélectrique
• Systèmes micromécaniquesTransducteurs : Cantilever
1. Tranducteurs électrochimiques
Potentiométrique:Mesure du potentiel à courant nul. La valeur du potential est reliée à la concentration en ion (échelle logarihmique)
Utilisé principalement pour quantifier des inorganiques incluant H+.
Dans les biocapteurs concernent les réactions enzymatiques qui induisent un changement de pH : penicillinase, urease, esterase.
Nécessite une électrode de référence(H, AgCl)
Electrode de référence
V
Pont salin
Enzyme souvent immobilisée à la surface de l’électrode
EchantillonElectrode de travail
Ampérométrique:
Un potentiel est appliqué entre une électrode de référence et une électrode de travail
Un potentiel est mesuré en continu dans la cellule
Quand le potentiel d’oxydation d’un composé est atteint, il est oxydé et produit des électrons qui servent à mesurer un courant
Le courant est proportionnel à la concentration du composé oxydé
Les principales réactions concernent le enzymes REDOX
. Glucose oxidase, cholesterol oxidase, etc.
1. Tranducteurs électrochimiques
Contact Conductive Carbon Track
Reference electrode (Ag/AgCl2)
Working electrodewith immobilised enzyme(or mediator)
Medisense glucose biosensor
Glucose Gluconic acid
Oxygen Hydrogen Peroxide
Glucose Oxidase
ELECTRODE
2H+, 2e-
5.4 mM
ELECTRODE
2H+, 2e-
5.4 mM
Conductimétrique:
Mesure de la résistance/conductance d’une solutionUtile quand des molécules chargées sont produites au cours d’une réaction enzymatique (amidase, estérase, kinase).
Exemple: détection de l’urée avec une uréase :
Urée + 2H2O 2NH4+ + HCO3
-uréase
1. Tranducteurs électrochimiques
(Dés)Avantages des transducteurs électrochimiques
Avantages:
Faciles à utiliser
Interface directe avec le potentiostat
Possibilité de miniaturiser (temps de réponse plus court)
Désavantages:
Sélectivité faible, souvent il est nécessaire d’employer des médiateurs
Ne peut fonctionner qu’avec des réctions biologiques avec transfert d’électronique
2. Transducteurs optiques
• UV/visible absorption• Emission de Fluorescence (et phosphorescence) • Bio-luminescence• Chimi-luminescence• Internal Reflection Spectroscopy• Light scattering methods• Résonance des Plasmons de Surface (SPR)
Devices: photomultipliers (convert photons to current), spectrophotomers, optic fibres, waveguides
Surface Plasmon Resonance (SPR)
(Dés)Avantages des transducteurs optiques
Avantages:
Facile à utiliserPeut répondre simultanément à plusieurs réactantsTrès précis, spécialement quand plusieurs longueurs d’ondes peuvent être utiliséesPossibillité d’utiliser des fibres optiques pour un transport efficace des photonsTrès grande sensibilité (bio-luminiscence, SPR))
Désavantages:
Dépend de la possibilité des réctifs Domaine dynamique restreint (loi de Beer/Lambert) Difficile à miniaturiserRéponse peut être lente
3. Tranducteurs thermiques
L’hydrolyse ou la synthèse de liaisons chimiques induisent des changements d’enthalpie mesurables.
Typiquement des modifications de température de l’ordre de 10-3 K peuvent être détectées
La réaction à étudier peut être couplée à une réaction qui produit plus de chaleur (par ex. glucose oxidase couplée à la catalase)
(Dés)Avantages des tranducteurs thermiques
AvantagesPeut être utilisée pour de nombreuses réactions
DésavantagesNon-selectiveDifficile à miniaturiser
4. Tranducteurs piezo-electrique
anticorps
antigène
crystal piézo electrique
La fréquence d’oscillation (f) du cristal dépend de la masse (m) du cristal et de tout matériau adsorbé sur sa surface (A).
La fréqence d’oscillation décroît en fonction de la masse déposée selon l’équation de Sauerbrey:
Δf = -2.3 x 106 f2Δm/AMatériaux piézo electrique :
Quartz (SiO2 crystals), céramiques, polyméres organiques.
(Dés)Avantages des transducteurs piézo-électriquesAvantages:
Très sensibles : peuvent détecter environ un picogram .
Détection des antigènes en phase gaz aussi bien qu’en phase liquide.
Portable, Les tests immunologiques peuvent être réalisés partout.
Temps de réponse rapide.
Pas besoin de marquer les composés (Tags).
Désavantages:
Adsorption non spécifique sur la surface peut fausser les résultats
5. Détection par cantilever
L’AFM ou Atomic Force Microscope est à l’origine des cantilevers. Déflection des cantilevers dépends de la force appliquée.
Force
Chaque cantilever est fonctionalisé sur une face avec un oligonucléotide différent
(a) Le signal de déflection différentielle est ajusté à la valeur zéro.
(b)Après injection du premier oligonucléotide complémentaire (vert), l’hybridation a lieu (rouge), provoquant l’augmentation du signal différentiel
Biocapteur à cantilever : ADN
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