農業バイオセンサーの種類;原則;応用

農業バイオセンサーの種類

今日、 農業用バイオセンサーの種類とその農業への応用について説明します。

バイオセンサーとは何ですか？ バイオセンサーは、生物学的反応を電気信号に変換する分析装置です。バイオセンサーは、センサーシステムやトランスデューサーなどの生物学的検出要素の組み合わせを含む分析デバイスとして定義できます。これらのバイオセンサーの用途には、主に生態学的汚染管理のチェックが含まれます。 農業分野だけでなく、食品産業でも。バイオセンサーの主な特徴は安定性です、 費用、 感度、 と再現性。バイオセンサーの目的は、単一の分析物または関連する分析物のグループに比例する離散的または連続的な電子信号を作成することです。

農業では、 製品の品質は、高価な定期的な化学的および微生物学的分析によって評価されます。 スロー、 十分に訓練されたオペレーターが必要であり、場合によっては、 抽出または前処理のステップが必要です、 分析時間を増やす。バイオセンサーは迅速に与えることができます、 製品の品質監視のための非破壊的で手頃な方法。バイオセンサーは、アッセイの時間とコストを削減するか、製品の安全性を高めます。

バイオセンサーは、オンラインシステムで分析物を検出するように適合されています。バイオセンサーは、農業および食品産業の問題を​​解決するために分析革命を起こす可能性を秘めています。今、 農業バイオセンサーの種類と農業部門におけるそれらの原理の詳細を見てみましょう。

バイオセンサーの働き

酵素のような好ましい生物学的材料は、物理的または膜の捕捉および非共有結合または共有結合のような従来の方法のために選択される。選択した生物学的材料はトランスデューサーと接触しています。分析物が生物学的材料に結合することによって結合した分析物を作成するために、これは測定される電気的応答を生成する。ある場合には、 分析物が生成物に変化し、熱の放出につながる可能性があります。 酸素のようなガス、 電子または水素イオン。

基本的な特徴：

• 高い基質濃度を検出するには、直線性を高くする必要があります。
• 基質濃度あたりの電極応答の感度の重要性。
• 正しい結果を得るには、選択性の化学的干渉を最小限に抑える必要があります。
• 応答の95％を得るのに必要な応答時間。

環境モニタリング用の農業バイオセンサータイプ

より厳格な規制と環境問題に対するより大きな一般の認識には、空気中のこれまでになく広範囲の分析物を監視するための要件が​​あります。 土、 と水をより正確に。環境の安全性に対する国民の関心の高まりは、野外や小川の病原体を監視する必要性も助長しています。水をリサイクルするためのより大きな圧力で、 抗菌剤の使用を最小限に抑え、高品質の排出を維持するために、 さまざまな業界のメーカーが、汚染源の汚染問題を迅速に特定するための技術を求めています。その間、 事業者は、ますます複雑になる監視体制のコストを抱えていることを望んでいます。生物を迅速に検出できるバイオセンサーは、病原体の環境モニタリングにおいて非常に重要です。

耐久性、 シグナル伝達物質の感度と低コスト、および酵素の利用可能性の高まり、 環境汚染物質に関連する抗体および遺伝子操作された微生物は、バイオセンサーを環境モニタリングに適用することへの最近の関心に貢献している。

バイオセンサーの原理

生物学的物質の固定化

生物学的構成要素は、トランスデューサー表面に適切に固定化されている。酵素は一般に、グルタルアルデヒドによって多孔質シート状レンズティッシュペーパーまたはナイロンネットファブリックに固定化され、こうして生成された酵素膜がトランスデューサーに貼り付けられます。

トランスデューサーの表面処理

トランスデューサーの表面は、3-アミノプロピルトリエトキシシランで処理できます。生物学的成分は、反応性アミノ基を介してこの架橋シランに共有結合する可能性があり、遊離したままである。このプロセスは再現性のない結果をもたらし、多くの場合、生物学的成分の活性を大幅に低下させます。

分析物と生体物質との相互作用

生物学的成分は特に分析物と相互作用し、 これにより、トランスデューサーの表面近くに物理的な変化が生じます。この物理的変化は、反応によって熱が放出または吸収される可能性があります。 電子の分布の変化による電位の生成、 酸化還元反応による電子の動き、 反応によって生成または吸収された光、 反応の結果として生物学的成分の質量を変更します。

生物学的信号の変換

トランスデューサーは信号を検出し、電気信号に変換します。

信号の増幅

この信号は必然的に小さく、マイクロプロセッサに供給される前に増幅器によって増幅されます。次に、信号が処理および解釈され、適切な単位に表示されます。

農業バイオセンサーの種類

沢山あります バイオセンサーの種類 センサーデバイスと生物学的材料に基づいて、それらのいくつかを以下で説明します。

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電気化学バイオセンサー

とてもシンプルな装置です。それは電流の測定を測定します、 イオン性または生体電極によって認められたコンダクタンスの変化による。センサー基板には通常、3つの電極が含まれています。参照電極、 活性電極、 とシンク電極。補助電極（対極としても知られている）がイオン源として存在し得る。標的分析物は、活性電極表面で起こる反応に関与し、 そして、生成されたイオンは、参照電極の電位から差し引かれて信号を与える電位を作る。

全細胞バイオセンサー

このタイプのバイオセンサーでは、細胞全体または細胞小器官が生物学的成分として使用されます。セルは非常に安価です、 有効寿命が長く、 抑制に対する感受性が低く、 pH、 酵素よりも温度変化。

アンペロメトリーバイオセンサー

シグナル伝達におけるアンペロメトリーバイオセンサーの使用は、電気化学的アプローチを使用して最も広く報告されていることが確認されています。 「ワンショット」（使い捨て）センサーとオンライン（マルチ測定）デバイスの両方が市販されています。 広範囲のターゲット分析物を監視します。電位差測定装置とは対照的に、 アンペロメトリーバイオセンサーの主な動作は、作用電極と参照電極の間で有用な定電位によって定義されます。機能的な可能性は酸化還元反応を引き起こします、 正味の電流が流れます。この電流の大きさは、試験溶液中の電気活性種の濃度に比例し、陰極（還元）反応と陽極（酸化）反応の両方を電流測定で監視できます。説明されているアンペロメトリーバイオセンサーのほとんどは、生体認識要素として酵素を使用しています。通常は、 オキシダーゼおよびデヒドロゲナーゼ酵素は、これらのバイオセンサーフォーマットに使用される最も頻繁に利用される触媒である。

電位差バイオセンサー

この形態のバイオセンサーは、高エネルギー範囲によって対数応答を提供します。これらのバイオセンサーは、合成基板上にある電極のプロトタイプを作成するモニターによって完成することがよくあります。 いくつかの酵素で実行中のポリマーで覆われている接続されています。バイオセンサーは、非常に応答性が高く強力な2つの電極で構成されています。

生物学的検出コンポーネントは問題のある分析物に非常に選択的に使用されるため、すべてのタイプのバイオセンサーは通常、サンプル前処理を最小限に抑えます。物理的および電気化学的変化により、信号は、バイオセンサーの外側で起こる修飾に適した導電性ポリマーの層内で生成されます。

光学バイオセンサー

生化学反応によって生成または吸収される光の量を検出します。最も有能なバイオセンサーは、食品および臨床サンプル中の細菌を検出するための発光バイオセンサーです。バクテリアはバイオセンサーとしても使用され、特定の汚染物質の存在下で蛍光を発し、油流出地域を検出します。

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農業におけるバイオセンサー

農業には、作物の生産と家畜の飼育が含まれ、日常生活で使用されるさまざまな製品を生産します。これらの要素は常に害虫や病気の形で損害を与え、利益の損失を引き起こしてきました。したがって、 利益を増やす方法は、そのような自然の脅威による作物や家畜の損失を減らすことです。バイオテロの進歩に伴い、 バイオセキュリティの必要性が必要になります。また、 農産物や生物を国境を越えて輸送する場合は、バイオセキュリティの必要性が必要です。バイオセンサーは、古い技術と比較して迅速かつ特異的な検出を提供するため、この分野で主要な役割を果たすことができます。

除草剤の濃度、 農地の農薬や重金属は増加しており、これは懸念事項です。バイオセンサーは、農薬のレベルを計算するために使用することができます、 除草剤、 土壌や地下水中の重金属。バイオセンサーは、土壌病の発生の可能性を予測するために使用できます。 これは、既存のテクノロジーでは実現できませんでした。バイオセンサーを使用した土壌の生物学的診断は、土壌病の信頼できる予防と除染へのアプローチをより早い段階で開くことを意味します。

バイオセンサーによる土壌診断の基本原理は、2種類の土壌微生物の呼吸における酸素消費量の差を定量的に測定することにより、土壌中の「良い微生物」と「悪い微生物」の相対的な活動を概算することです。測定は、「善玉菌」と「悪玉菌」を含浸させた2つのセンサーで進行します。 それぞれ、 緩衝液中の土壌サンプルの懸濁液に浸します。

2つのデータを比較することにより、どちらの微生物が土壌に有利であるかを定量的に決定することができます。それは実行可能です、 したがって、 土壌病害が試験された土壌で発生する準備ができているかどうかを事前に予測すること。バイオセンサーは、経験ではなく数値データに基づいて土壌の状態を診断する革新的なシステムを提供することを強調しておく必要があります。硝酸塩バイオセンサーは、土壌に存在する硝酸塩の量を検出するために開発されました。

コリンエステラーゼの阻害に基づく酵素バイオセンサーは、農薬から微量の有機リン酸塩とカルバメートを同定するために使用されてきました。アンモニアとメタンの量に対する選択的で感度の高い微生物センサーが研究されてきました。しかし、 廃水水質管理用の市販のバイオセンサーは、コラーゲンまたはポリアクリルアミドに固定化された細菌ロドコッカスエリスロポリスなどの微生物に基づく生物化学的酸素要求量（BOD）分析装置です。

バイオセンサーの応用

• バイオセンサーには、生活の質の向上を目的とした非常に幅広い用途があります。
• この範囲は、環境モニタリングへの使用をカバーしています。 病気の認識、 食品安全、 防衛、 創薬など。
• バイオセンサーは、食品のトレーサビリティを監視するためのプラットフォームとして使用できます。 品質、 安全性、 と栄養価。
• これらのアプリケーションは、「シングルショット」分析ツールのグループに分類されます。 つまり、アプリケーションに費用効果が高く使い捨てのセンシングプラットフォームが必要な場合です。
• 汚染モニタリングなどのアプリケーションでは、バイオセンサーが数時間から数日機能する必要があります。

農業部門で使用される農業バイオセンサーの種類については、これですべてです。

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