Transcript et un transducteur Biocapteur : Définition (IUPAC)

BIOCAPTEURS
Un 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: recommended
definitions and classification. Pure and Applied
Chemistry, 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
BIOCAPTEUR : éléments
1 composé à analyser
2 Récepteur biologique
5 Processeur
4 Transduction
3 Méthode d’immobilisation
Type de surface
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)
HISTOIRE DES BIOCAPTEURS
-
Concept - Lyons and Clark (1956)
Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969)
Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973)
Enzyme Thermistor – Mosbach (1974)
Microbial Electrodes – Divis (1975)
Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975)
Biostator – Clemens et al. (1976)
Immnosensor – Liedberg et al. (1982)
Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987)
BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990)
NanoSensor – Vo-Dinh (2000)
Mining bird (Carbon monoxide)
Glucose
Pregnancy
test
Anthrax
Chimie
Souhaits du marché
-immobilisation
-membranes
-polymers
-matériaux d’électrode
-biorécepteurs synthétiques
-portable
-microinstrumentation
Biologie
BIOCAPTEUR
Electronique
-optoelectronique
-silicium
-analyse données
-contrôle
Physique
-optique
-semiconducteur
-bioreconnaissance
-protéine modifiée
-recepteur
-DNA
Instrumentation
-portable
-instrumentation
LES RECEPTEURS
BIOLOGIQUES
BIORECEPTOR
Récepteur 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 biomimétiques
1. Enzymes
Catalysent les réactions :
Amplification du signal
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.
2. Récepteur Protéique
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”
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
3. Anticorps et antigènes
Très sélectifs et interactions
très fortes
sites de fixation de l’antigène
Désavantage:
pas
d’effet
catalytique
,
nécessité de marquage (souvent
fluorescent) de l’anticorps ou de
l’antigène pour des transducteurs Chaîne
légère
optiques
Transducteur piezo electric : Chaîne
modification de la fréquence de lourde
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
synthesisés au laboratoire.
être
L’hybridation peut être controlée
facilement à l’aide de la température
L’hybridation
optiquement.
peut
être
analysée
LIAISONS HYDROGENES
5. Les membranes à empreinte
moléculaire
Monomères
Fonctionalisés
Agent
réticulant
+
+
Complexation
Matrice
Polymérisation
Extraction
Analyse
LES TRANSDUCTEURS
• Electrochimique
potentiométrique, FET, ampérométrique, conductimètrique,
impédimètrique
•
Optique
UV/visible absorption, fluorescence, Bioluminescence, SPR
•
Thermique
•
Cristal piézoélectrique
•
Systèmes micromécaniques
Transducteurs : 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)
V
Electrode de travail
Echantillon
Pont salin
Electrode de
référence
Enzyme souvent immobilisée
à la surface de l’électrode
1. Tranducteurs électrochimiques
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.
Glucose
Gluconic acid
Glucose Oxidase
Oxygen
Hydrogen Peroxide
Working electrode
with immobilised enzyme
(or mediator)
2H+, 2e-
ELECTRODE
5.4 mM
Contact
Conductive Carbon Track
Reference electrode (Ag/AgCl2)
Medisense glucose biosensor
1. Tranducteurs électrochimiques
Conductimétrique:
Mesure de la résistance/conductance d’une solution
Utile 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 uréase
2NH4+ + HCO3-
(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 utiliser
Peut répondre simultanément à plusieurs réactants
Très précis, spécialement quand plusieurs longueurs d’ondes
peuvent être utilisées
Possibillité d’utiliser des fibres optiques pour un transport efficace
des photons
Très grande sensibilité (bio-luminiscence, SPR))
Désavantages:
Dépend de la possibilité des réctifs
Domaine dynamique restreint (loi de Beer/Lambert)
Difficile à miniaturiser
Réponse 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
Avantages
Peut être utilisée pour de nombreuses réactions
Désavantages
Non-selective
Difficile à miniaturiser
4. Tranducteurs piezo-electrique
anticorps
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).
antigène
La fréqence d’oscillation décroît
en fonction de la masse déposée
selon l’équation de Sauerbrey:
Δf = -2.3 x 106 f2Δm/A
Matériaux piézo electrique :
Quartz (SiO2 crystals), céramiques, polyméres organiques.
(Dés)Avantages des transducteurs piézo-électriques
Avantages:
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
Biocapteur à cantilever : ADN
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