Arten von Biosensoren für die Landwirtschaft

Heute, Wir befassen uns mit landwirtschaftlichen Biosensortypen und deren Anwendung in der Landwirtschaft.

Was ist Biosensor? Ein Biosensor ist ein Analysegerät, das eine biologische Reaktion in ein elektrisches Signal umwandelt. Biosensoren können als Analysegeräte definiert werden, die eine Kombination aus biologischen Nachweiselementen wie einem Sensorsystem und einem Transducer enthalten. Die Anwendungen dieser Biosensoren umfassen meist die Kontrolle des ökologischen Umweltschutzes, in der Landwirtschaft sowie in der Lebensmittelindustrie. Die Hauptmerkmale von Biosensoren sind Stabilität, Kosten, Empfindlichkeit, und Reproduzierbarkeit. Das Ziel eines Biosensors besteht darin, entweder diskrete oder kontinuierliche elektronische Signale zu erzeugen, die proportional zu einem einzelnen Analyten oder einer verwandten Gruppe von Analyten sind.

In der Agrarindustrie, die Qualität eines Produkts wird durch regelmäßige chemische und mikrobiologische Analysen bewertet, die teuer sind, langsam, brauchen gut ausgebildete Bediener und in einigen Fällen Extraktions- oder Vorbehandlungsschritte benötigen, die Analysezeit verlängern. Biosensoren können schnelle, zerstörungsfreie und kostengünstige Methoden zur Qualitätsüberwachung eines Produktes. Biosensoren verringern Testzeit und -kosten oder erhöhen die Produktsicherheit.

Biosensoren wurden angepasst, um Analyten in Online-Systemen nachzuweisen. Biosensoren haben das Potenzial, eine analytische Revolution zu vollziehen, um die Probleme in der Agrar- und Lebensmittelindustrie zu lösen. Jetzt, Lassen Sie uns näher auf die Arten von landwirtschaftlichen Biosensoren und deren Prinzipien in der Landwirtschaft eingehen.

Funktionsweise von Biosensoren

Das bevorzugte biologische Material wie Enzym wird für herkömmliche Verfahren wie physikalischer oder Membraneinschluss und nichtkovalente oder kovalente Bindung ausgewählt. Das ausgewählte biologische Material steht mit dem Schallkopf in Kontakt. Um einen gebundenen Analyten zu erzeugen, indem der Analyt an das biologische Material bindet, erzeugt dies die zu messende elektrische Reaktion. In manchen Fällen, der Analyt in ein Produkt umgewandelt wird und mit einiger Wahrscheinlichkeit mit der Freisetzung von Wärme verbunden ist, Gase wie Sauerstoff, Elektronen oder Wasserstoffionen.

Grundeigenschaften:

• Für den Nachweis hoher Substratkonzentrationen sollte die Linearität hoch sein.
• Bedeutung der Empfindlichkeit der Elektrodenreaktion pro Substratkonzentration.
• Die chemische Interferenz der Selektivität muss minimiert werden, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten.
• Reaktionszeit, die erforderlich ist, um 95 % der Antwort zu erhalten.

Biosensortypen für die Landwirtschaft für die Umweltüberwachung

Strengere Vorschriften und ein größeres öffentliches Bewusstsein für Umweltfragen erfordern die Überwachung einer immer breiteren Palette von Analyten in der Luft, Boden, und Wasser mit größerer Genauigkeit. Die zunehmende Besorgnis der Öffentlichkeit über die Sicherheit der Umwelt fördert auch die Notwendigkeit, Krankheitserreger im Feld und im Bach zu überwachen. Mit größerem Druck, Wasser zu recyceln, den Einsatz von antibakteriellen Mitteln zu minimieren und die Qualität der Einleitungen zu erhalten, Hersteller in einer Vielzahl von Branchen suchen nach Technologien, um Kontaminationsprobleme schnell an der Quelle zu erkennen. Inzwischen, Betreiber wollen die Kosten für immer komplexere Überwachungssysteme tragen. Biosensoren, die einen Organismus schnell nachweisen können, werden bei der Umweltüberwachung der Krankheitserreger sehr wichtig sein.

Die Haltbarkeit, Sensitivität und geringe Kosten von Signalwandlern und die steigende Verfügbarkeit von Enzymen, Antikörper und gentechnisch veränderte Mikroorganismen, die mit Umweltschadstoffen in Verbindung stehen, haben zum jüngsten Interesse an der Anwendung von Biosensoren für die Umweltüberwachung beigetragen.

Prinzip des Biosensors

Immobilisierung von biologischem Material

Die biologischen Komponenten werden geeigneterweise auf der Transduceroberfläche immobilisiert. Enzyme werden im Allgemeinen durch Glutaraldehyd auf einem porösen blattartigen Linsentissuepapier oder Nylonnetzgewebe immobilisiert und die so hergestellte Enzymmembran wird an dem Wandler befestigt.

Oberflächenbehandlung des Wandlers

Die Schallkopfoberfläche kann mit 3-Aminopropyltriethoxysilan behandelt werden. Die biologischen Komponenten können sich nun kovalent an dieses vernetzte Silan anbinden über die reaktive Aminogruppe bleibt frei. Dieses Verfahren liefert nicht reproduzierbare Ergebnisse und verursacht oft eine starke Verringerung der Aktivität der biologischen Komponenten.

Wechselwirkung des Analyten mit biologischem Material

Die biologische Komponente interagiert insbesondere mit dem Analyten, die eine physikalische Veränderung nahe der Wandleroberfläche erzeugt. Diese physikalische Veränderung kann durch die Reaktion freigesetzte oder absorbierte Wärme sein, Erzeugung von elektrischem Potential durch Änderung der Verteilung der Elektronen, Elektronenbewegung aufgrund von Redoxreaktionen, das durch die Reaktion erzeugte oder absorbierte Licht, in der Masse der biologischen Komponenten infolge der Reaktion verändern.

Umwandlung des biologischen Signals

Der Wandler erkennt das Signal und wandelt es in die elektrischen Signale um.

Verstärkung des Signals

Dieses Signal ist notwendigerweise klein und wird vom Verstärker verstärkt, bevor es in den Mikroprozessor eingespeist wird. Das Signal wird dann verarbeitet und interpretiert und in den entsprechenden Einheiten angezeigt.

Arten von Biosensoren für die Landwirtschaft

Es gibt viele Arten von Biosensoren basierend auf den Sensorgeräten und den biologischen Materialien, und einige davon werden im Folgenden diskutiert.

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Elektrochemischer Biosensor

Es ist ein sehr einfaches Gerät. Es misst die Messung des elektronischen Stroms, ionisch oder durch Leitfähigkeitsänderungen, die von Bioelektroden bedingt sind. Das Sensorsubstrat enthält im Allgemeinen drei Elektroden; eine Referenzelektrode, eine aktive Elektrode, und eine Senkenelektrode. Als Ionenquelle kann eine Hilfselektrode (auch Gegenelektrode genannt) vorhanden sein. Der Zielanalyt ist an der Reaktion beteiligt, die auf der aktiven Elektrodenoberfläche stattfindet, und die erzeugten Ionen, um ein Potential zu erzeugen, das von dem der Referenzelektrode subtrahiert wird, um ein Signal zu erzeugen.

Ganzzelliger Biosensor

Bei dieser Art von Biosensor werden ganze Zellen oder Organellen als biologische Komponente verwendet. Die Zellen sind sehr billig, eine längere aktive Lebensdauer haben, und sind weniger hemmungsempfindlich, pH-Wert, und Temperaturschwankungen als Enzyme.

Amperometrische Biosensoren

Die Verwendung amperometrischer Biosensoren bei der Signalübertragung hat sich als die am häufigsten beschriebene elektrochemische Methode erwiesen. Sowohl „One-Shot“- (Einweg-)Sensoren als auch Online-(Mehrfachmess-)Geräte sind im Handel erhältlich, Überwachung einer Vielzahl von Zielanalyten. Im Gegensatz zu potentiometrischen Geräten Die prinzipielle Wirkungsweise von amperometrischen Biosensoren wird durch ein konstantes Potential definiert, das zwischen einer Arbeits- und einer Referenzelektrode nützlich ist. Das Funktionspotential führt zu Redoxreaktionen, einen Nettostrom fließen lassen. Die Stärke dieses Stroms ist proportional zur Konzentration der elektroaktiven Spezies in der Testlösung und sowohl kathodische (reduzierende) als auch anodische (oxidierende) Reaktionen können amperometrisch überwacht werden. Die meisten der erläuterten amperometrischen Biosensoren verwenden Enzyme als Bioerkennungselement. Normalerweise, Oxidase- und Dehydrogenase-Enzyme waren die am häufigsten genutzten Katalysatoren für diese Biosensor-Formate.

Potentiometrische Biosensoren

Diese Form des Biosensors liefert eine logarithmische Antwort durch einen hohen energetischen Bereich. Diese Biosensoren werden häufig komplettiert, indem die Elektrodenprototypen, die auf einem synthetischen Substrat liegen, überwacht werden. bedeckt von einem performanten Polymer mit etwas Enzym verbunden ist. Die Biosensoren bestehen aus zwei Elektroden, die enorm reaktionsschnell und stark sind.

Alle Arten von Biosensoren erfordern normalerweise die geringste Probenvorbereitung, da die biologische Nachweiskomponente für den betroffenen Analyten äußerst wählerisch verwendet wird. Durch physikalische und elektrochemische Veränderungen wird das Signal in der Schicht des leitenden Polymers erzeugt, das geeignet ist, um an der Außenseite des Biosensors zu modifizieren.

Optischer Biosensor

Es erkennt, wie viel Licht durch die biochemische Reaktion erzeugt oder absorbiert wird. Ein am besten geeigneter Biosensor ist der Lumineszenz-Biosensor zum Nachweis von Bakterien in Lebensmittel- und klinischen Proben. Bakterien werden auch als Biosensor verwendet, sie fluoreszieren in Gegenwart bestimmter Schadstoffe, die sie gerne fressen und erkennen den Ölfleckenbereich.

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Biosensoren in der Landwirtschaft

Die Landwirtschaft umfasst die Produktion von Pflanzen und die Aufzucht von Tieren, die verschiedene Produkte herstellen, die im täglichen Leben verwendet werden. Diese Elemente sind seit jeher auf Schäden in Form von Schädlingen und Krankheiten eingestellt, die zu Gewinnverlusten führen. Somit, eine Möglichkeit zur Steigerung der Gewinne bestünde darin, den Verlust von Feldfrüchten und Viehbeständen durch solche natürlichen Bedrohungen zu verringern. Mit dem Fortschritt des Bioterrorismus, der Bedarf an Biosicherheit wird notwendig. Ebenfalls, die Notwendigkeit der Biosicherheit ist notwendig, wenn landwirtschaftliche Produkte oder lebende Gegenstände über internationale Grenzen hinweg transportiert werden sollen. Biosensoren können in diesem Bereich eine wichtige Rolle spielen, da sie im Vergleich zu den älteren Techniken eine schnelle und spezifische Detektion ermöglichen.

Eine Konzentration von Herbiziden, Pestizide und Schwermetalle in landwirtschaftlichen Flächen nehmen zu, und dies gibt Anlass zur Besorgnis. Biosensoren können verwendet werden, um den Gehalt an Pestiziden zu berechnen, Herbizid, und Schwermetalle im Boden und Grundwasser. Biosensoren können verwendet werden, um das mögliche Auftreten von Bodenkrankheiten vorherzusagen, was mit der bisherigen Technik nicht machbar war. Die biologische Bodendiagnostik mittels Biosensor bedeutet, den Ansatz für eine zuverlässige Prävention und Dekontamination von Bodenkrankheiten in einem früheren Stadium zu eröffnen.

Das Grundprinzip der Bodendiagnostik mit dem Biosensor besteht darin, die relative Aktivität von „guten Mikroben“ und „schlechten Mikroben“ im Boden an der Quelle der quantitativen Messung des unterschiedlichen Sauerstoffverbrauchs bei der Atmung zweier Arten von Bodenmikroorganismen zu approximieren. Die Messung erfolgt während zwei Sensoren, die mit „guten Mikroben“ und „schlechten Mikroben“ imprägniert sind, bzw, werden in eine Suspension der Bodenprobe in Pufferlösung getaucht.

Durch den Vergleich zweier Daten kann quantitativ entschieden werden, welche Mikrobe den Boden bevorzugt. Es ist machbar, deshalb, vorherzusagen, ob Bodenkrankheiten im untersuchten Boden ausbrechen wollen oder nicht. Hervorzuheben ist, dass der Biosensor ein innovatives System zur Diagnose der Bodenbeschaffenheit bietet, das nicht auf Erfahrungswerten, sondern auf numerischen Daten basiert. Der Nitrat-Biosensor wurde zum Nachweis der im Boden vorhandenen Nitratmenge entwickelt.

Enzymbiosensoren, die auf der Hemmung von Cholinesterasen basieren, wurden verwendet, um Spuren von Organophosphaten und Carbamaten aus Pestiziden zu identifizieren. Selektive und empfindliche mikrobielle Sensoren für die Menge an Ammoniak und Methan wurden untersucht. Jedoch, Die kommerziell erhältlichen Biosensoren für das Abwasserqualitätsmanagement sind biologische Sauerstoffbedarfs-(BSB)-Analysatoren, die auf Mikroorganismen wie dem Bakterium Rhodococcus erythropolis immobilisiert in Kollagen oder Polyacrylamid basieren.

Anwendungen von Biosensoren

• Biosensoren haben ein sehr breites Anwendungsspektrum, das darauf abzielt, die Lebensqualität zu verbessern.
• Dieser Bereich umfasst ihren Einsatz zur Umweltüberwachung, Krankheitserkennung, Lebensmittelsicherheit, Verteidigung, Wirkstoffforschung und vieles mehr.
• Biosensoren können als Plattformen zur Überwachung der Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln verwendet werden, Qualität, Sicherheit, und Nährwert.
• Diese Anwendungen fallen in die Gruppe der „Single-Shot“-Analysetools, d.h. wo kostengünstige und wegwerfbare Sensorplattformen für die Anwendung benötigt werden.
• Eine Anwendung wie die Überwachung der Umweltverschmutzung erfordert, dass ein Biosensor von wenigen Stunden bis zu mehreren Tagen funktioniert.

Das ist alles über landwirtschaftliche Biosensortypen, die in der Landwirtschaft verwendet werden.

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