Электрохимические биосенсоры: принципы работы и архитектуры

Количественная оценка биологических и биохимических процессов имеет первостепенное значение для медицинских, биологических и биотехнологических приложений. Однако преобразование биологической информации в легко обрабатываемый электронный сигнал представляет собой сложную задачу из-за трудностей непосредственного сопряжения электронного устройства с биологической средой. Электрохимические биосенсоры позволяют эффективно анализировать состав биологических образцов благодаря прямому преобразованию биологического события в электронный сигнал. За последние десятилетия были разработаны различные концепции сенсоров и соответствующие устройства. В настоящем обзоре представлены наиболее распространённые традиционные методы, такие как циклическая вольтамперометрия, хроноамперометрия, хронопотенциометрия, импедансная спектроскопия и различные методы на основе полевых транзисторов, а также отдельные перспективные новые подходы, включая биосенсоры на основе нанопроводов и магнитных наночастиц. Кроме того, обобщены дополнительные методы измерений, эффективность которых показана в сочетании с электрохимическим детектированием: электрохимические варианты поверхностного плазмонного резонанса, спектроскопия световых мод оптических волноводов, эллипсометрия, микровзвешивание на кварцевом кристалле и сканирующая зондовая микроскопия. Передача сигнала и общие характеристики электрохимических сенсоров во многом определяются поверхностными архитектурами, которые на нанометровом уровне обеспечивают сопряжение чувствительного элемента с биологическим образцом. На конечную чувствительность сенсора влияют наиболее распространённые методы модификации поверхности, различные механизмы электрохимической передачи сигнала и выбор молекул рецептора, обеспечивающих распознавание. Новые подходы, основанные на нанотехнологиях, включая применение сконструированных ионных каналов в липидных бислоях, инкапсуляцию ферментов в везикулы, полимерсомы или полиэлектролитные капсулы, создают дополнительные возможности для усиления сигнала. В частности, в обзоре подчёркивается важность точного контроля сложного взаимодействия между поверхностными наноархитектурами, функционализацией поверхности и выбранным принципом преобразования сигнала сенсором, а также ценность дополнительных методов характеризации для интерпретации и оптимизации ответа сенсора.