Subscribe to DeepL Pro to edit this document.
Visit www.DeepL.com/pro for more information.
Η ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας στον σχεδιασμό βιοϊατρικών εργαλείων, ιδίως
βιοαισθητήρων, παρείχε βελτιστοποιημένη διάγνωση. Οι βιοαισθητήρες έχουν
χρησιμοποιηθεί ευρέως λόγω διαφόρων βασικών πλεονεκτημάτων, όπως ο απλός και
φθηνός σχεδιασμός, η φορητότητα και η ταχεία και ακριβής ανίχνευση του/των
αναλύτη/ων [1-3]. Κάθε βιοαισθητήρας αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία,
συμπεριλαμβανομένου του βιοαναγνωριστικού στοιχείου, του μετατροπέα σήματος και
του ανιχνευτή [4,5]. Τα σημαντικότερα βιοαναγνωριστικά στοιχεία που
χρησιμοποιήθηκαν πρόσφατα στο σχεδιασμό βιοαισθητήρων περιλαμβάνουν
αντισώματα [6], απταμερή [7-12], πεπτίδια [13,14] και βιολογικά πολυμερή [15], τα
οποία έχουν αναπτυχθεί έναντι διαφόρων αναλυτών για την παροχή συγκεκριμένων
διαγνωστικών μεθόδων. Στην παρούσα ανασκόπηση έχουν διερευνηθεί οι
ηλεκτροχημικοί απτασένσορες λόγω της σπουδαιότητας και των εφαρμογών τους, όπου
ο μετατροπέας σήματος αναφέρει ηλεκτροχημικά γεγονότα πριν από την παρουσία ενός
αναλύτη και κατά την ύπαρξή του ως ηλεκτρικά σήματα στον ανιχνευτή (στις
περισσότερες περιπτώσεις μια οθόνη εξοπλισμένη με διάταξη
ποτενσιοστάτη/γαλβανοστάτη) [16]. Ως επί το πλείστον, οι μετατροπείς σήματος είναι
ηλεκτρόδια Au, υαλώδης άνθρακας και πάστα άνθρακα. Επίσης, αυτοί οι ηλεκτροχημικοί
βιοαισθητήρες ανιχνεύουν συνήθως αναλυτές με διάφορες τεχνικές, όπως η κυκλική
βολταμμετρία (CV) [17], η διαφορική παλμική βολταμμετρία (DPV) [18], η ηλεκτροχημική
φασματοσκοπία εμπέδησης (EIS) [19], η βολταμμετρία τετραγωνικών κυμάτων (SWV)
[20], η φωτοηλεκτροχημική (PEC) [21] και η ηλεκτροχημική φωταύγεια (ECL) [22]. Οι
αναλυτές στους βιοαισθητήρες αποτελούνται από ένα ευρύ φάσμα οργανικών και
ανόργανων υλικών που η ακριβής και ταχεία ανίχνευσή τους έχει ιδιαίτερη σημασία. Οι
σημαντικότεροι αναλυτές στους βιοαισθητήρες περιλαμβάνουν βιοδείκτες διαφόρων
ασθενειών [13,23-37], παθογόνους μικροοργανισμούς [38-41], τοξίνες και επικίνδυνες
χημικές ουσίες [42-55], φάρμακα και βιολογικά μόρια [56-62]. Όποιο και αν είναι το
βιοαναγνωριστικό στοιχείο πιο ειδικό και συγγενικό έναντι του αναλύτη, ο σχεδιασμένος
βιοαισθητήρας θα έχει μεγαλύτερη εκλεκτικότητα και σταθερότητα. Επομένως, η επιλογή
και η χρήση του βέλτιστου βιοαναγνωριστικού στοιχείου έναντι του αναλύτη είναι ζωτικής
σημασίας. Οι απτασένσορες είναι ένας τύπος βιοαισθητήρων στους οποίους το
βιοαναγνωριστικό στοιχείο είναι ένα απταμερές [63-65]. Τα απταμερή είναι
ολιγονουκλεοτίδια (κυρίως DNA και RNA) με 20-80 νουκλεοτίδια που παράγονται με τη
συστηματική εξέλιξη των συνδέσμων με τη μέθοδο του εκθετικού εμπλουτισμού
(SELEX) [66,67]. Τα απταμερή έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλα
βιοαναγνωριστικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στη δομή των βιοαισθητήρων (κυρίως
αντισώματα) και για το λόγο αυτό οι απταμερείς έχουν αναπτυχθεί εκτενώς για την
ανίχνευση διαφόρων αναλυτών [64,68]. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα των απταμερών
ως βιοαναγνωριστικού στοιχείου στη δομή των βιοαισθητήρων περιλαμβάνουν υψηλή
συγγένεια έναντι μορίων-στόχων, η οποία τους παρείχε τη δυνατότητα να
αναδιπλωθούν σε τρισδιάστατη δομή και να συνδεθούν ειδικά και στενά με τους
στόχους τους. Τα απταμερή που επιλέγονται λόγω της υψηλής συγγένειάς τους έναντι
ενός ευρέος φάσματος αναλυτών (μικρο- και μακρομορίων) μπορούν να
χρησιμοποιηθούν στην ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό ουσιών όπως ιόντα
μετάλλων (Hg2+, Pb2+ κ.λπ.), μικρά οργανικά μόρια (αμινοξέα, ATP, αντιβιοτικά,
βιταμίνες, ναρκωτικά και άλλα φάρμακα), μακρομόρια (όπως πεπτίδια, πρωτεΐνες,
αυξητικοί παράγοντες, χρωστικές ουσίες, τοξίνες, παθογόνα και βιοδείκτες) και
μικροοργανισμοί (όπως βακτήρια και ιοί) [69,70]. Τα απταμερή είναι σημαντικά
μικρότερα από τα αντισώματα και τις πρωτεΐνες [64,68]. Άλλα πλεονεκτήματα των
απταμερών είναι η σταθερότητα στη θερμοκρασία, η εύκολη μεταφορά και η φθηνή
σύνθεση, καθώς και η χαμηλή ανοσογονικότητα και τοξικότητα [71,72]. Μια από τις πιο
χρήσιμες ιδιότητες των απταμερών είναι η λειτουργικότητά τους στο 5′ και 3′ άκρο με
διάφορες λειτουργικές ομάδες, όπως θειόλη, αμίνη, βιοτίνη κ.ο.κ. [73,74]. Ο σκοπός της
λειτουργικοποίησης των απταμερών είναι η καθιέρωση ειδικής πρόσδεσης στην
επιφάνεια του μετατροπέα σήματος ή άλλων συστατικών του στοιχείου βιοαναγνώρισης,
καθώς και η αύξηση της σταθερότητας της λειτουργίας των απταμερών (π.χ. αυξημένη
αντοχή έναντι νουκλεασών) [73-75]. Οι νανοδομές είναι υλικά που το μέγεθός τους είναι
μικρότερο από 100 nm σε μία τουλάχιστον διάσταση. Η μείωση του μεγέθους ενός
υλικού στη νανοκλίμακα προκαλεί σημαντικές αλλαγές στις φυσικές και χημικές ιδιότητες
[76,77]. Καθώς αυξάνεται ο λόγος επιφάνειας προς όγκο, μεταβάλλονται οι
ηλεκτρονικές, οπτικές, θερμικές, μηχανικές και χημικές αντιδραστικές ιδιότητες των
υλικών. Διαφορετικές μέθοδοι σύνθεσης, ενώσεις σύνθεσης καθώς και συνθήκες
σύνθεσης οδηγούν στην παραγωγή νανοδομών με τα επιθυμητά μεγέθη και
μορφολογίες [78,79]. Το Au είναι ένα κίτρινο, μαλακό και ουδέτερο μέταλλο με
θερμοκρασία τήξης 1068 °C. Το μέταλλο αυτό παρουσιάζει ιδιαίτερες ιδιότητες στα
μεγέθη της νανοκλίμακας που το έχουν καταστήσει σημαντικό μέταλλο σε πολλές
εφαρμογές και προϊόντα νανοτεχνολογίας [80,81]. Οι νανοδομές Au έχουν
χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιοϊατρικές μελέτες και ιδιαίτερα στον σχεδιασμό
βιοαισθητήρων λόγω της υψηλής βιοσυμβατότητας, της ευκολίας σύνθεσης, της
δυνατότητας ελέγχου της σύνθεσης και της σταθερότητας κατά τη διαδικασία σύνθεσης
και εφαρμογής [82]. Οι νανοδομές Au έχουν χρησιμοποιηθεί στη δομή του βιοαισθητήρα
κυρίως ως εναποτιθέμενο στρώμα στην επιφάνεια του μετατροπέα σήματος ή ως
συζευγμένη μορφή με το βιοαναγνωριστικό στοιχείο για την ενίσχυση της διαγνωστικής
ευαισθησίας που επιτυγχάνεται από την αυξημένη επιφάνεια [83,84]. Στην παρούσα
ανασκόπηση διερευνώνται οι πιο πρόσφατοι και κορυφαίοι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες
με βάση τη νανοδομή Au. Στην ενότητα 2, μελετήθηκαν οι απτασένσορες για την
ανίχνευση φαρμάκων, ιδίως αντιβιοτικών καθώς και βιομορίων. Στην ενότητα 3,
αξιολογούνται οι απτασένσορες για την ανίχνευση τοξινών, επικίνδυνων μεταλλικών
ιόντων και χημικών ουσιών. Στην ενότητα 4, εξετάζονται οι αψευδαισθητήρες για
διαγνωστικούς βιοδείκτες (ιδίως βιοδείκτες καρκίνου) και για την αξιολόγηση της
πρόγνωσης καθώς και της εξέλιξης διαφόρων ασθενειών. Στην ενότητα 5, διερευνώνται
αισθητήρες για την ανίχνευση παθογόνων μικροοργανισμών. Στην ενότητα 6, ως
τελευταία ενότητα, αναλύονται και κατηγοριοποιούνται τα κύρια χαρακτηριστικά των
αξιολογημένων αισθητήρων aptasensors.