Types de biocapteurs agricoles

Aujourd'hui, nous abordons les types de biocapteurs agricoles et leur application en agriculture.

Qu'est-ce qu'un biocapteur ? Un biocapteur est un appareil analytique qui convertit une réaction biologique en un signal électrique. Les biocapteurs peuvent être définis comme des dispositifs analytiques qui contiennent une combinaison d'éléments de détection biologiques tels qu'un système de capteurs et un transducteur. Les applications de ces biocapteurs incluent principalement la vérification de la lutte contre la pollution écologique, dans le domaine de l'agriculture ainsi que les industries alimentaires. Les principales caractéristiques des biocapteurs sont la stabilité, Coût, sensibilité, et la reproductibilité. Le but d'un biocapteur est de créer des signaux électroniques discrets ou continus qui sont proportionnels à un seul analyte ou à un groupe apparenté d'analytes.

Dans les industries agricoles, la qualité d'un produit est évaluée par des analyses chimiques et microbiologiques périodiques coûteuses, lent, besoin d'opérateurs bien formés et, dans certains cas, besoin d'étapes d'extraction ou de prétraitement, augmenter le temps d'analyse. Les biocapteurs peuvent donner rapidement, méthodes non destructives et abordables pour le contrôle de la qualité d'un produit. Les biocapteurs réduisent le temps et le coût du dosage ou augmentent la sécurité du produit.

Les biocapteurs ont été adaptés pour détecter des analytes dans des systèmes en ligne. Les biocapteurs ont le potentiel de faire une révolution analytique pour résoudre les problèmes dans les industries agricoles et alimentaires. Maintenant, entrons dans les détails des types de biocapteurs agricoles et de leurs principes dans le secteur agricole.

Fonctionnement des biocapteurs

Le matériel biologique préféré comme l'enzyme est choisi pour les méthodes conventionnelles comme le piégeage physique ou membranaire et la liaison non covalente ou covalente. Le matériel biologique choisi est en contact avec le transducteur. Pour créer un analyte lié à travers l'analyte se lie au matériel biologique, cela produit la réponse électrique à mesurer. Dans certains cas, l'analyte s'est transformé en produit et a une certaine probabilité de se connecter avec le dégagement de chaleur, des gaz comme l'oxygène, des électrons ou des ions hydrogène.

Caractéristiques de base :

• La linéarité doit être élevée pour la détection d'une concentration élevée de substrat.
• Sensibilité importance de la réponse de l'électrode par concentration de substrat.
• Les interférences chimiques de sélectivité doivent être minimisées pour obtenir un résultat correct.
• Temps de réponse nécessaire pour avoir 95% de la réponse.

Types de biocapteurs agricoles pour la surveillance environnementale

Des réglementations plus strictes et une plus grande sensibilisation du public aux problèmes environnementaux entraînent l'obligation de surveiller une gamme toujours plus large d'analytes dans l'air, sol, et de l'eau avec une plus grande précision. Les préoccupations croissantes du public concernant la sécurité de l'environnement favorisent également le besoin de surveiller les agents pathogènes dans les champs et les cours d'eau. Avec une plus grande pression pour recycler l'eau, minimiser l'utilisation d'agents antibactériens et conserver des rejets de qualité, les fabricants d'une grande variété d'industries recherchent des technologies pour identifier rapidement les problèmes de contamination à la source. Pendant ce temps, les opérateurs cherchent à supporter les coûts de régimes de surveillance de plus en plus complexes. Des biocapteurs capables de détecter un organisme rapidement seront très importants dans la surveillance environnementale des agents pathogènes.

La durabilité, la sensibilité et le faible coût des transducteurs de signaux et la disponibilité croissante des enzymes, les anticorps et les micro-organismes génétiquement modifiés liés aux polluants environnementaux ont contribué à l'intérêt récent pour l'application des biocapteurs à la surveillance environnementale.

Principe du biocapteur

Immobilisation de matériel biologique

Les composants biologiques sont convenablement immobilisés sur la surface du transducteur. Les enzymes sont généralement immobilisées par du glutaraldéhyde sur un papier de soie à lentille en forme de feuille poreuse ou un tissu en filet de nylon et la membrane enzymatique ainsi produite est fixée au transducteur.

Traitement de surface du transducteur

La surface du transducteur peut être traitée avec du 3-aminopropyl triéthoxysilane. Les composants biologiques peuvent maintenant se lier de manière covalente à ce silane réticulé via le groupe amino réactif qui reste libre. Ce processus donne des résultats non reproductibles et provoque souvent une forte réduction de l'activité des composants biologiques.

Interaction de l'analyte avec le matériel biologique

Le composant biologique interagit particulièrement avec l'analyte, qui produit un changement physique près de la surface du transducteur. Ce changement physique peut être la chaleur libérée ou absorbée par la réaction, production de potentiel électrique due au changement de distribution des électrons, mouvement des électrons dû aux réactions redox, la lumière produite ou absorbée par la réaction, modifier dans la masse des composants biologiques à la suite de la réaction.

Conversion du signal biologique

Le transducteur détecte le signal et le convertit en signaux électriques.

Amplification du signal

Ce signal est nécessairement faible et est amplifié par l'amplificateur avant d'être introduit dans le microprocesseur. Le signal est ensuite traité et interprété et affiché dans les unités appropriées.

Types de biocapteurs agricoles

Il y a beaucoup de types de biocapteurs basé sur les dispositifs de détection et les matériaux biologiques et certains d'entre eux sont discutés ci-dessous.

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Biocapteur électrochimique

C'est un appareil très simple. Il mesure la mesure du courant électronique, ionique ou par les changements de conductance concédés par les bio-électrodes. Le substrat du capteur contient généralement trois électrodes; une électrode de référence, une électrode active, et une électrode de puits. Une électrode auxiliaire (également appelée contre-électrode) peut être présente comme source d'ions. L'analyte cible est impliqué dans la réaction qui a lieu sur la surface active de l'électrode, et les ions produits pour faire un potentiel qui est soustrait de celui de l'électrode de référence pour donner un signal.

Biocapteur à cellules entières

Dans ce type de biocapteur, la cellule entière ou les organites sont utilisés comme composant biologique. Les cellules sont très moins chères, avoir une durée de vie active plus longue, et sont moins sensibles à l'inhibition, pH, et des variations de température que les enzymes.

Biocapteurs ampérométriques

L'utilisation de biocapteurs ampérométriques dans la transduction du signal s'est avérée être la plus largement rapportée en utilisant une approche électrochimique. Les capteurs « one-shot » (jetables) et les appareils en ligne (multi-mesures) sont disponibles dans le commerce, surveiller un large éventail d'analytes cibles. Contrairement aux appareils potentiométriques, le principe de fonctionnement des biocapteurs ampérométriques est défini par un potentiel constant utile entre une électrode de travail et une électrode de référence. Le potentiel fonctionnel se traduit par des réactions redox, faisant circuler un courant net. L'amplitude de ce courant est proportionnelle à la concentration d'espèces électroactives dans la solution d'essai et les réactions cathodiques (réductrices) et anodiques (oxydantes) peuvent être contrôlées par ampérométrie. La plupart des biocapteurs ampérométriques expliqués utilisent des enzymes comme élément de bioreconnaissance. Normalement, les enzymes oxydase et déshydrogénase ont été les catalyseurs les plus fréquemment exploités utilisés pour ces formats de biocapteurs.

Biocapteurs potentiométriques

Cette forme de biocapteur fournit une réponse logarithmique au moyen d'une gamme énergétique élevée. Ces biocapteurs sont fréquemment complétés par un moniteur créant les prototypes d'électrodes reposant sur un substrat synthétique, recouvert d'un polymère performant avec une certaine enzyme est connecté. Les biocapteurs comprennent deux électrodes extrêmement réactives et puissantes.

Tous les types de biocapteurs occupent normalement le moins de préparation d'échantillon puisque le composant de détection biologique est extrêmement sélectif utilisé pour l'analyte troublé. Par les changements physiques et électrochimiques, le signal sera généré par la couche de polymère conducteur apte à modifier se produisant à l'extérieur du biocapteur.

Biocapteur optique

Il détecte la quantité de lumière produite ou absorbée par la réaction biochimique. Un biocapteur le plus performant est le biocapteur à luminescence pour la détection de bactéries dans les échantillons alimentaires et cliniques. Les bactéries sont également utilisées comme biocapteur, elles deviennent fluorescentes en présence de polluants spécifiques qu'elles aiment manger et détectent la zone des déversements de pétrole.

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Biocapteurs en agriculture

L'agriculture comprend la production de cultures et l'élevage de bétail produisant différents produits qui sont utilisés dans la vie quotidienne. Ces éléments ont toujours été disposés à endommager sous forme de parasites et de maladies causant une perte de bénéfices. D'où, un moyen d'augmenter les profits serait de réduire les pertes de récoltes et de bétail causées par de telles menaces naturelles. Avec les progrès du bioterrorisme, le besoin de biosécurité devient nécessaire. Aussi, le besoin de biosécurité est nécessaire lorsque des produits agricoles ou tout objet vivant doivent être transportés à travers les frontières internationales. Les biocapteurs peuvent jouer un rôle majeur dans ce domaine car ils permettent une détection rapide et spécifique par rapport aux techniques plus anciennes.

Une concentration d'herbicides, pesticides et métaux lourds dans les terres agricoles est en augmentation et c'est un sujet de préoccupation. Les biocapteurs peuvent être utilisés pour calculer les niveaux de pesticides, herbicide, et les métaux lourds dans le sol et les eaux souterraines. Les biocapteurs peuvent être utilisés pour prévoir l'apparition possible de maladies du sol, ce qui n'a pas été possible avec la technologie existante. Le diagnostic biologique des sols par biocapteur permet d'ouvrir en amont la démarche d'une prévention fiable et d'une décontamination des maladies des sols.

Le principe de base du diagnostic de sol avec le biocapteur est d'approximer l'activité relative des « bons microbes » et des « mauvais microbes » dans le sol sur la source de mesure quantitative de la consommation différentielle d'oxygène dans la respiration de deux types de microorganismes du sol. La mesure se déroule au cours de deux capteurs imprégnés de « bons microbes » et de « mauvais microbes », respectivement, sont immergés dans une suspension de l'échantillon de sol dans une solution tampon.

En comparant deux données, il peut être possible de décider quantitativement quel microbe favorise le sol. c'est faisable, donc, pour prédire si la maladie du sol est prête à éclater dans le sol testé à l'avance. Il est à souligner que le biocapteur offre un système innovant de diagnostic de l'état du sol basé non pas sur l'expérience mais sur des données numériques. Le biocapteur de nitrate a été développé pour la détection de la quantité de nitrate présente dans le sol.

Des biocapteurs enzymatiques basés sur l'inhibition des cholinestérases ont été utilisés pour identifier des traces d'organophosphates et de carbamates à partir de pesticides. Des capteurs microbiens sélectifs et sensibles pour la quantité d'ammoniac et de méthane ont été étudiés. Cependant, les biocapteurs disponibles dans le commerce pour la gestion de la qualité des eaux usées sont des analyseurs de la demande biologique en oxygène (DBO) basés sur des micro-organismes comme la bactérie Rhodococcus erythropolis immobilisée dans du collagène ou du polyacrylamide.

Applications des biocapteurs

• Les biocapteurs ont une très large gamme d'applications qui visent à développer la qualité de vie.
• Cette gamme couvre leur utilisation pour la surveillance environnementale, reconnaissance de la maladie, la sécurité alimentaire, la défense, découverte de médicaments et bien d'autres.
• Les biocapteurs peuvent être utilisés comme plateformes de suivi de la traçabilité des aliments, qualité, sécurité, et valeur nutritionnelle.
• Ces applications appartiennent au groupe des outils d'analyse « single shot », c'est-à-dire là où des plates-formes de détection économiques et jetables sont requises pour l'application.
• Une application telle que la surveillance de la pollution nécessite un biocapteur pour fonctionner de quelques heures à plusieurs jours.

C'est tout ce qui concerne les types de biocapteurs agricoles utilisés dans le secteur agricole.

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