バイオセンサー

バイオセンサーは、生物学的要素と物理化学的検出器を組み合わせた、化学物質の検出に使用される分析装置です。^{[1] [2] [3] [4]}組織、微生物、細胞小器官、細胞受容体、酵素、抗体、核酸などの敏感な生物学的要素 は、研究中の分析対象物と相互作用、結合、または認識する生物学的に生成された材料または生体模倣要素です。生物学的に敏感な要素は、生物工学によって作成することもできます。ある信号を別の信号に変換するトランスデューサーまたは検出器要素は、分析対象物と生物学的要素の相互作用から生じる光学的、圧電的、電気化学的、 電気化学発光などの物理化学的方法で機能し、簡単に測定および定量化します。バイオセンサーリーダーデバイスは、結果をユーザーフレンドリーな方法で表示する主な役割を担う関連の電子機器または信号プロセッサに接続します。^{[5]これはセンサーデバイスの中で最も高価な部分となることもありますが、トランスデューサーと感応素子（}ホログラフィックセンサー）を含むユーザーフレンドリーなディスプレイを生成することは可能です。リーダーは通常、バイオセンサーのさまざまな動作原理に合わせてカスタム設計および製造されます。

バイオセンサーは、通常、バイオ受容体（酵素/抗体/細胞/核酸/アプタマー）、トランスデューサーコンポーネント（半導体材料/ナノ材料）、および信号増幅器、プロセッサ、ディスプレイを含む電子システムで構成されています。 ^{[6]トランスデューサーと電子機器は、たとえば}CMOSベースのマイクロセンサーシステムで組み合わせることができます。 ^{[7] [8]}認識コンポーネントは、バイオ受容体と呼ばれることが多く、生物由来の生体分子または生物システムをモデルにした受容体を使用して、対象の分析物と相互作用します。この相互作用は、サンプル内の対象分析物の存在に比例した測定可能な信号を出力するバイオトランスデューサーによって測定されます。バイオセンサーの設計の一般的な目的は、サンプルが調達された懸念またはケアのポイントで迅速かつ便利なテストを可能にすることです。^{[1] [9] [10]}

バイオセンサーでは、バイオ受容体は特定の分析対象物と相互作用して、トランスデューサーによって測定可能な効果を生み出すように設計されています。他の化学成分または生物成分のマトリックスの中で分析対象物に対する高い選択性は、バイオ受容体の重要な要件です。使用される生体分子の種類は多岐にわたりますが、バイオセンサーは、抗体/抗原、^[11]酵素/リガンド、核酸/DNA、細胞構造/細胞、または生体模倣材料を含む一般的なタイプのバイオ受容体相互作用に従って分類できます。^{[12] [13]}

免疫センサーは、特定の化合物または抗原に対する抗体の非常に特異的な結合親和性を利用する。抗体抗原相互作用の特異的性質は、抗原が正しい構造を持つ場合にのみ抗体に結合するという点で、鍵と鍵穴の嵌め合いに似ている。結合イベントは物理化学的変化をもたらし、蛍光分子、酵素、放射性同位元素などのトレーサーと組み合わせることで信号を生成することができる。センサーでの抗体の使用には制限がある。1. 抗体の結合能力はアッセイ条件（pH や温度など）に大きく依存する。2. 抗体抗原相互作用は一般に堅牢であるが、カオトロピック試薬、有機溶媒、さらには超音波放射によって結合が阻害される可能性がある。^{[14] [15]}

抗体抗原相互作用は血清学的検査、つまり特定の疾患に対する循環抗体の検出にも使用できます。重要なのは、血清学的検査がCOVID-19パンデミックに対する世界的な対応の重要な部分となっていることです。^[16]

バイオセンサーの生体認識コンポーネントとして抗体を使用することには、いくつかの欠点がある。抗体は分子量が大きく、安定性が限られており、必須のジスルフィド結合を含み、製造コストが高い。これらの制限を克服する1つのアプローチとして、抗体の組み換え結合フラグメント（Fab、Fv、scFv）またはドメイン（VH、VHH）が設計されている。^[17]別のアプローチでは、好ましい生物物理学的特性を持つ小さなタンパク質足場が設計され、親分子の好ましい特性を保持しながら、さまざまな標的タンパク質に特異的に結合できる抗原結合タンパク質（AgBP）の人工ファミリーが生成されている。特定の標的抗原に特異的に結合するファミリーの要素は、多くの場合、ファージディスプレイ、リボソームディスプレイ、酵母ディスプレイ、またはmRNAディスプレイなどのディスプレイ技術によってin vitroで選択される。人工結合タンパク質は抗体よりもはるかに小さく（通常100アミノ酸残基未満）、安定性が高く、ジスルフィド結合を持たず、抗体やその誘導体とは異なり、細菌細胞質のような還元細胞環境で高収量で発現することができます。^{[18] [19]}そのため、バイオセンサーの作成に特に適しています。^{[20] [21]}

酵素は、その特異的な結合能力と触媒活性により、バイオレセプターとして広く使用されています。分析物の認識は、1) 酵素が分析物をセンサーで検出可能な生成物に変換する、2) 分析物による酵素の阻害または活性化を検出する、または 3) 分析物との相互作用の結果として生じる酵素特性の変化を監視する、といういくつかの可能なメカニズムによって可能になります。^[15]バイオセンサーで酵素が一般的に使用される主な理由は、1) 多数の反応を触媒する能力、2) 分析物のグループ (基質、生成物、阻害剤、触媒活性の調節剤) を検出する可能性、および 3) 分析物を検出するためのいくつかの異なる変換方法に適していることです。特に、酵素は反応で消費されないため、バイオセンサーは簡単に継続的に使用できます。酵素の触媒活性により、一般的な結合技術と比較して検出限界を低くすることもできます。ただし、センサーの寿命は酵素の安定性によって制限されます。

抗体は10^8 L/molを超える高い結合定数を持ち、抗原抗体対が形成されるとほぼ不可逆的な結合を意味します。グルコースのような特定の分析対象分子には、抗体のように高い特異性でリガンドに結合する親和性結合タンパク質が存在しますが、結合定数は10^2～10^4 L/mol程度とはるかに小さくなります。分析対象と受容体の結合は可逆的であり、両者の結合の他に、それらの自由分子も測定可能な濃度で存在します。たとえばグルコースの場合、コンカナバリンAは結合定数4x10^2 L/molを示す親和性受容体として機能する可能性があります。^[22]バイオセンシングの目的での親和性結合受容体の使用は、1979年にSchultzとSimsによって提案され^{[23] 、その後、4.4～6.1 mmol/Lの関連する}生理学的範囲のグルコースを測定するための蛍光アッセイに構成されました。^[24]センサーの原理には、酵素アッセイで起こる化学反応で分析対象物が消費されないという利点がある。

核酸ベースの受容体を使用するバイオセンサーは、ジェノセンサーと呼ばれる相補的塩基対形成相互作用に基づくものか、またはアプタセンサーと呼ばれる特定の核酸ベースの抗体模倣物（アプタマー）に基づくものである。^[25]前者では、認識プロセスは、 DNA内のアデニン：チミンおよびシトシン：グアニンの相補的塩基対形成の原理に基づいている。標的核酸配列がわかっている場合は、相補的配列を合成し、標識し、センサー上に固定することができる。ハイブリダイゼーション イベントを光学的に検出し、標的 DNA/RNA の存在を確認することができる。後者では、標的に対して生成されたアプタマーが、特定の非共有結合相互作用と誘導フィッティングの相互作用を介して標的を認識する。これらのアプタマーは、光学検出のために蛍光体/金属ナノ粒子で簡単に標識することができ、または広範囲の標的分子または細胞やウイルスなどの複雑な標的用の標識フリーの電気化学またはカンチレバーベースの検出プラットフォームに使用することができる。^{[26] [27]}さらに、アプタマーはRNAを切断するDNAザイムなどの核酸酵素と組み合わせることができ、単一分子で標的認識とシグナル生成の両方を実現できるため、多重バイオセンサーの開発に応用できる可能性がある。^[28]

適切に最適化された集積光共振器は、がんやその他の疾患に罹患した患者の体液中のエピジェネティック修飾（DNAメチル化、ヒストンの翻訳後修飾など）を検出するために利用できると提案されている。^[29]患者の尿中のがん細胞を容易に検出するために、超高感度の光子バイオセンサーが現在研究レベルで開発されている。^[30]さまざまな研究プロジェクトでは、専門技術者によるさらなる処理、洗浄、操作を必要とせず、取り扱いが簡単な、安価で環境に優しい使い捨てカートリッジを使用する新しいポータブルデバイスの開発を目指している。^[31]

細胞小器官は細胞内に別々の区画を形成し、通常は独立して機能を果たす。異なる種類の細胞小器官には、さまざまな代謝経路があり、その機能を果たす酵素が含まれている。一般的に使用される細胞小器官には、リソソーム、葉緑体、ミトコンドリアなどがある。カルシウムの空間的・時間的分布パターンは、遍在するシグナル伝達経路と密接に関連している。ミトコンドリアはカルシウムイオンの代謝に積極的に関与して機能を制御し、カルシウム関連のシグナル伝達経路も調節する。実験により、ミトコンドリアはカルシウムチャネルを開くことで、近傍で発生する高カルシウム濃度に反応する能力があることが証明されている。 ^[32]このように、ミトコンドリアは培地中のカルシウム濃度を検出するために使用でき、空間分解能が高いため検出は非常に感度が高い。ミトコンドリアの別の用途は、水質汚染の検出に使用される。洗剤化合物の毒性は、ミトコンドリアを含む細胞および細胞内構造を損傷する。洗剤は膨潤効果を引き起こし、これは吸光度の変化によって測定できる。実験データによれば、変化率は洗剤濃度に比例しており、検出精度の基準が高いことが示されています。^[33]

細胞は周囲の環境に敏感で、あらゆる種類の刺激に反応できるため、バイオレセプターによく使用されます。細胞は表面に付着する傾向があるため、簡単に固定できます。細胞小器官と比較して、細胞はより長い期間活性を維持し、再現性があるため再利用できます。細胞は、ストレス状態、毒性、有機誘導体などのグローバルパラメーターの検出によく使用されます。また、薬物の治療効果のモニタリングにも使用できます。1つの用途は、細胞を使用して主要な水生汚染物質である除草剤を判定することです。^[34]微細藻類は石英マイクロファイバーに捕捉され、除草剤によって変更されたクロロフィル蛍光が光ファイバー束の先端で収集され、蛍光計に送信されます。藻類は、最適な測定を行うために継続的に培養されます。結果によると、特定の除草剤の検出限界は、ppb 未満の濃度レベルに達する可能性があります。一部の細胞は、微生物による腐食のモニタリングにも使用できます。^[35] Pseudomonas sp.腐食した材料の表面から分離され、アセチルセルロース膜上に固定化されます。呼吸活動は酸素消費量を測定して決定されます。発生する電流と硫酸濃度の間には直線関係があります。応答時間は細胞と周囲の環境の負荷に関連し、5分以内に制御できます。

組織は、存在する酵素の豊富さをバイオセンサーとして利用しています。バイオセンサーとしての組織の利点は次のとおりです。^[36]

• 細胞や細胞小器官に比べて固定化が容易
• 自然環境下で酵素を維持することによる高い活性と安定性
• 入手しやすさと低価格
• 酵素の抽出、遠心分離、精製といった面倒な作業の回避
• 酵素が機能するために必要な補因子が存在する
• さまざまな目的に関して幅広い選択肢を提供する多様性。

組織には、他の酵素の干渉による特異性の欠如や、輸送障壁による応答時間の延長など、いくつかの欠点もあります。

微生物バイオセンサーは、細菌が特定の物質に反応することを利用する。例えば、ヒ素はいくつかの細菌分類群に見られるarsオペロンを使って検出することができる。^[37]

バイオセンサーの重要な部分は、生物学的要素（小分子/タンパク質/細胞）をセンサーの表面（金属、ポリマー、ガラスなど）に付着させることです。最も簡単な方法は、表面を官能化して生物学的要素でコーティングすることです。シリコンチップ/シリカガラスの場合は、ポリリジン、アミノシラン、エポキシシラン、またはニトロセルロースで行うことができます。その後、結合した生物学的因子を固定することもできます。たとえば、交互に帯電したポリマーコーティングを層ごとに堆積させるなどです。 ^[38]

あるいは、三次元格子（ハイドロゲル/キセロゲル）を使用して、これらを化学的または物理的に捕捉することもできます（化学的捕捉とは、生物学的要素が強力な結合によって所定の位置に保持されることを意味しますが、物理的捕捉とは、生物学的要素がゲルマトリックスの細孔を通過できないように所定の位置に保持されることを意味します）。最も一般的に使用されるハイドロゲルはゾルゲルであり、物理的捕捉の場合、生物学的要素（ PEGなどの他の安定化ポリマーとともに）の存在下でケイ酸塩モノマー（ TMOSまたはTEOSなどのテトラアルキルオルトケイ酸塩として添加）の重合によって生成されるガラス状シリカです。^[39]

細胞やタンパク質に適した条件下で硬化する別のグループのハイドロゲルは、ラジカル開始により重合するアクリレートハイドロゲルです。ラジカル開始剤の1つのタイプは過酸化物ラジカルであり、通常は過硫酸塩とTEMED（ポリアクリルアミドゲルはタンパク質電気泳動にも一般的に使用されます）を組み合わせて生成されます。^{[40]また、DMPA（} 2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン）などの光開始剤と組み合わせて光を使用することもできます。 ^[41]センサーの生物学的成分を模倣したスマート材料は、生体分子の活性部位または触媒部位のみ、または類似の構成を使用するバイオセンサーとしても分類できます。^[42]

バイオセンサーはバイオトランスデューサーの種類によって分類できます。バイオセンサーで使用される最も一般的なバイオトランスデューサーの種類は次のとおりです。

• 電気化学バイオセンサー
• 光学バイオセンサー
• 電子バイオセンサー
• 圧電バイオセンサー
• 重量測定バイオセンサー
• 焦電バイオセンサー
• 磁気バイオセンサー

電気化学バイオセンサーは、通常、電子を生成または消費する反応の酵素触媒作用に基づいています（このような酵素は、正確には酸化還元酵素と呼ばれます）。センサー基板には通常、参照電極、作用電極、対電極の 3 つの電極が含まれています。ターゲット分析物は、活性電極表面で発生する反応に関与し、反応は二重層を横切る電子移動（電流を生成）を引き起こすか、二重層電位（電圧を生成）に寄与する可能性があります。固定電位で電流を測定するか（電子の流れの速度は、分析物の濃度に比例します）、または電位をゼロ電流で測定することができます（これにより、対数応答が得られます）。作用電極または活性電極の電位は空間電荷に敏感であり、これがよく使用されることに注意してください。さらに、小さなペプチドとタンパク質のラベルフリーの直接的な電気的検出は、バイオ機能化されたイオン感受性電界効果トランジスタを使用して、それらの固有電荷によって可能です。^[43]

もう 1 つの例として、電位差測定バイオセンサー (ゼロ電流で生成される電位) は、高ダイナミック レンジの対数応答を示します。このようなバイオセンサーは、多くの場合、プラスチック基板に電極パターンをスクリーン印刷し、導電性ポリマーでコーティングしてから、何らかのタンパク質 (酵素または抗体) を付着させることで作成されます。これらのバイオセンサーは電極が 2 つしかなく、非常に感度が高く堅牢です。これらのバイオセンサーにより、以前は HPLC と LC/MS でのみ達成可能だったレベルの分析対象物の検出が可能になり、厳密なサンプル準備は必要ありません。すべてのバイオセンサーでは通常、サンプル準備は最小限で済みます。これは、生物学的センシング コンポーネントが関係する分析対象物に対して非常に選択的であるためです。信号は、センサーの表面で発生する変化による導電性ポリマー層の電気化学的および物理的変化によって生成されます。このような変化は、イオン強度、pH、水和、および酸化還元反応に起因する可能性があり、後者は酵素ラベルが基質を回転することで発生します。^[44]ゲート領域が酵素や抗体で修飾された電界効果トランジスタは、FETのゲート領域に分析物が結合してドレイン-ソース電流が変化するため、非常に低濃度の様々な分析物を検出することもできる。

インピーダンス分光法に基づくバイオセンサーの開発は、今日では注目を集めており、学界や産業界では多くのそのようなデバイスや開発が見受けられます。ナノポーラスアルミナ膜を使用した4電極電気化学セルに基づくそのようなデバイスの1つは、血清アルブミンのバックグラウンドが高い状態でも低濃度のヒトアルファトロンビンを検出できることが示されています。^[45]また、インピーダンスバイオセンサーには、インターディジット電極が使用されています。^[46]

イオンチャネルの使用は、標的の生物学的分子の高感度検出を可能にすることが示されています。^{[47]金電極に取り付けられた支持または}係留二重膜（t-BLM）にイオンチャネルを埋め込むことで、電気回路が作成されます。抗体などの捕捉分子をイオンチャネルに結合させることができるため、標的分子の結合によってチャネルを通るイオンの流れを制御できます。これにより、標的の濃度に比例する測定可能な電気伝導の変化が生じます。

イオンチャネルスイッチ（ICS）バイオセンサーは、二量体ペプチドチャネルであるグラミシジンを二重膜に挿入して作成できます。^[48]抗体が結合したグラミシジンのペプチドの1つは可動性があり、もう1つは固定されています。二量体を破壊すると、膜を通るイオン電流が止まります。親水性スペーサーを使用して膜を金属表面から分離すると、電気信号の変化の大きさが大幅に増加します。

タンパク質、細菌、薬物、毒素を含む広範な標的種の定量的検出は、さまざまな膜および捕捉構成を使用して実証されています。^{[49] [50]}欧州の研究プロジェクトGreensenseは、唾液と尿中の THC、モルヒネ、コカインなどの乱用薬物の定量スクリーニングを実行するバイオセンサーを開発しています^{[51] 。}

試薬不要のバイオセンサーは、追加の試薬なしで複雑な生物学的混合物中の標的分析物を監視できます。したがって、固体支持体上に固定化すれば継続的に機能します。蛍光バイオセンサーは、標的分析物との相互作用に反応して、蛍光特性が変化します。試薬不要の蛍光バイオセンサー (RF バイオセンサー) は、標的分析物に向けられた生物学的受容体と、発光特性が局所環境の性質に敏感な溶媒和発色性蛍光体を 1 つの高分子に統合することで得られます。蛍光体は、認識イベントを測定可能な光信号に変換します。タンパク質、トリプトファン、チロシンの内在蛍光体とは発光特性が大きく異なる外在蛍光体を使用すると、複雑な生物学的混合物中の分析物を即座に検出し、定量化できます。蛍光体の組み込みは、受容体の親和性を乱すことなく、分析対象物の結合に敏感な部位で行う必要があります。

抗体および人工抗原結合タンパク質（AgBP）ファミリーは、あらゆる抗原に向けることができるため、RFバイオセンサーの認識モジュールを提供するのに適しています（バイオレセプターの段落を参照）。抗原との複合体の原子構造がわかっている場合に、溶媒和発色性蛍光体をAgBPに統合し、RFバイオセンサーに変換する一般的なアプローチが説明されています。^[20] AgBPの残基は、複合体内の抗原の近傍で特定されます。この残基は、部位特異的変異誘発によってシステインに変更されます。蛍光体は、変異したシステインに化学的に結合されます。設計が成功すると、結合した蛍光体は抗原の結合を妨げず、この結合によって蛍光体が溶媒から保護され、蛍光の変化によって検出できます。この戦略は、抗体フラグメントにも有効です。^{[52] [53]}

ただし、特定の構造データがない場合、他の戦略を適用する必要があります。抗体および人工 AgBP ファミリーは、タンパク質の固有のサブ領域に位置し、一定のポリペプチド スキャフォールドによってサポートされている、超可変 (またはランダム) 残基位置のセットで構成されています。特定の抗原の結合部位を形成する残基は、超可変残基の中から選択されます。これらのファミリーの AgBP は、抗原との相互作用にほとんどまたはまったく重要でない超可変残基の 1 つに溶媒和色素蛍光体を結合し、この残基を突然変異誘発によってシステインに変更するだけで、ターゲット抗原に固有の RF バイオセンサーに変換できます。より具体的には、この戦略は、遺伝子レベルで超可変位置の残基を個別にシステインに変更し、溶媒和色素蛍光体を突然変異システインと化学的に結合し、次に、最も高い感度 (親和性と蛍光シグナルの変化の両方を含むパラメーター) を持つ結果として得られるコンジュゲートを保持することです。^[21]このアプローチは抗体断片のファミリーにも有効である。^[54]

事後研究では、蛍光体がバイオレセプターの表面と非共有結合的に相互作用せず（バックグラウンド信号が増加する）、標的抗原の表面にある結合ポケットと相互作用する場合に、最良の試薬不要の蛍光バイオセンサーが得られることが示されている。^[55]上記の方法で得られるRFバイオセンサーは、生細胞内で機能し、標的分析物を検出することができる。^[56]

磁気バイオセンサーは、常磁性または超常磁性粒子、または結晶を利用して生物学的相互作用を検出します。例としては、コイルインダクタンス、抵抗、またはその他の磁気特性が挙げられます。磁性ナノ粒子またはマイクロ粒子を使用するのが一般的です。このような粒子の表面には、DNA（配列またはアプタマーに相補的）抗体などのバイオレセプターがあります。バイオレセプターの結合は、ACサセプトメトリー、^[57]、ホール効果センサー、^[58]、巨大磁気抵抗デバイス、^[59]などで測定できる磁性粒子の特性の一部に影響します。

圧電センサーは、電位が加えられると弾性変形を起こす結晶を利用します。交流電位 (AC) は、特性周波数で結晶内に定在波を生成します。この周波数は結晶の弾性特性に大きく依存しており、結晶が生物学的認識要素でコーティングされている場合、(大きな) ターゲット分析物が受容体に結合すると、共鳴周波数が変化し、結合信号が生成されます。表面弾性波 (SAW) を使用するモードでは、感度が大幅に向上します。これは、バイオセンサーとしての 水晶振動子マイクロバランスの特殊な応用です。

電気化学発光（ECL）は、今日ではバイオセンサーの主要技術です。^{[60] [61] [62]}励起種は光励起源ではなく電気化学刺激によって生成されるため、ECL は光ルミネセンスに比べて信号対雑音比が向上し、光散乱や発光バックグラウンドによる影響が最小限に抑えられます。特に、緩衝水溶液中で正電位領域（酸化還元機構）で動作する共反応物 ECL は、免疫測定法の ECL を決定的に向上させました。これは、多くの研究アプリケーションによって確認されており、さらに、毎年数十億ドルの価値がある市場で高スループット免疫測定分析用の商用ハードウェアを開発した重要な企業の存在によっても確認されています。

温度測定バイオセンサーは珍しい。

MOSFETは1955年から1960年にかけてベル研究所で発明されました。^{[63] [64] [65] [66] [67] [68]}その後、 1962年にリーランド・C・クラークとチャンプ・ライオンズが最初のバイオセンサーを発明しました。^{[69] [70]その後、} バイオセンサーMOSFET （バイオFET）が開発され、それ以来、物理的、化学的、生物学的、環境的パラメータの測定に広く使用されてきました。^[71]

最初のバイオFETは、1970年にピエト・ベルグフェルドが電気化学および生物学の用途向けに発明したイオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）でした。 ^{[72] [73]}吸着FET（ADFET）は1974年にPFコックスが特許を取得し、水素感応MOSFETは1975年にI.ルンドストロム、MSシバラマン、CSスヴェンソン、L.ルンドクヴィストによって実証されました。^[71] ISFETは、ゲートが一定の距離にある特殊なタイプのMOSFETであり、^[71]金属ゲートがイオン感応膜、電解質溶液、参照電極に置き換えられています。 [74] ISFETは、DNAハイブリダイゼーションの検出、血液からのバイオマーカー検出、抗体検出、グルコース測定、^pHセンシング、遺伝子技術などの生物医学的用途で広く使用されています。^[74]

1980年代半ばまでに、ガスセンサーFET（GASFET）、圧力センサーFET（PRESSFET）、化学電界効果トランジスタ（ChemFET）、リファレンスISFET（REFET）、酵素修飾FET（ENFET）、免疫学的修飾FET（IMFET）など、他のバイオFETが開発されました。^{[71] 2000年代初頭までに、} DNA電界効果トランジスタ（DNAFET）、遺伝子修飾FET（GenFET）、細胞電位バイオFET（CPFET）などのバイオFETが開発されました。^[74]

バイオセンサーの適切な配置は、その応用分野によって異なり、大まかにバイオテクノロジー、農業、食品技術、バイオメディカルに分類できます。

バイオテクノロジーでは、培養液の化学組成の分析は、インライン、オンライン、アットライン、オフラインで行うことができます。米国食品医薬品局 ( FDA ) が概説しているように、インラインセンサーの場合、サンプルはプロセスストリームから取り出されませんが、オンライン測定の場合は製造プロセスから迂回されます。アットラインセンサーの場合、サンプルはプロセスストリームの近くで取り出され、分析される場合があります。^[75]後者の例としては、乳製品加工工場でのラクトースのモニタリングがあります。^[76]オフラインバイオセンサーは、フィールドではなく研究室で動作する バイオ分析技術に相当します。これらの技術は主に農業、食品技術、生物医学で使用されます。

医療用途では、バイオセンサーは一般にin vitro システムとin vivoシステムに分類されます。in vitroバイオセンサー測定は、試験管、培養皿、マイクロタイタープレート、または生体外のその他の場所で行われます。センサーは、上で概説したように、バイオ受容体とトランスデューサーを使用します。in vitroバイオセンサーの例としては、血糖値モニタリング用の酵素導電率バイオセンサーがあります。ポイントオブケア検査の原理、つまり検査が必要な場所で動作するバイオセンサーを作成するという課題があります。^{[77] [78]}ウェアラブルバイオセンサーの開発は、そのような研究の1つです。^{[79]ラボでの検査がなくなると、時間と費用を節約できます。POCT バイオセンサーの用途としては、患者の検査が難しい地域での}HIV検査が挙げられます。バイオセンサーを現場に直接送って、迅速かつ簡単に検査を行うことができます。

生体内バイオセンサーは、体内で動作する埋め込み型デバイスです。もちろん、バイオセンサーインプラントは、埋め込み後の初期炎症反応を避けるために、厳格な滅菌規制を満たす必要があります。2番目の懸念は、長期的な生体適合性、つまり意図された使用期間中の体内環境との無害な相互作用に関係しています。^[81]発生するもう1つの問題は故障です。故障した場合、デバイスを除去して交換する必要があり、追加の手術が必要になります。生体内バイオセンサーの応用例としては、体内のインスリンモニタリングが挙げられますが、これはまだ利用できません。

最も先進的なバイオセンサーインプラントは、グルコースの連続モニタリング用に開発されている。^{[82] [83]}図は、ペースメーカーや除細動器などの心臓血管インプラント用に確立されたチタンケースとバッテリーが使用されているデバイスを示している。^{[80]サイズは、1年間の寿命に必要なバッテリーによって決まる。測定されたグルコースデータは、医療用インプラント用に承認されている}MICS 402-405 MHz帯域内でワイヤレスで体外に送信される。

バイオセンサーは携帯電話システムに統合することもできるため、ユーザーフレンドリーで多くのユーザーが利用できるようになります。^[84]

さまざまな種類のバイオセンサーには、多くの潜在的な用途があります。研究および商業用途の面でバイオセンサー アプローチが価値あるものとなるための主な要件は、ターゲット分子の識別、適切な生物学的認識要素の可用性、および状況によっては使い捨てのポータブル検出システムが高感度の実験室ベースの技術よりも好まれる可能性があることです。いくつかの例を以下に示します。

• 糖尿病患者の血糖モニタリング、その他の医療健康関連の目標、
• 環境用途、例えば農薬の検出、有機リン化合物の検出と測定、重金属イオンなどの河川水汚染物質の検出と測定など^[85]
• 空気中の細菌の遠隔検知、例えば対バイオテロ活動など
• 世界中の放棄された二枚貝の群れにおける貝類の行動学のさまざまな側面（生物学的リズム、成長率、産卵または死亡記録）をオンラインで記述することによる沿岸水域の水質のリモートセンシング、^[86]
• 病原体の検出、
• バイオレメディエーション前後の毒性物質のレベルを測定する、
• 微生物学的分析の代替として、葉酸、ビオチン、ビタミンB12、パントテン酸の日常的な分析測定。
• 食品中の抗生物質や成長促進剤などの薬物残留物の測定、特に肉や蜂蜜、
• 医薬品の発見と新規化合物の生物学的活性の評価、
• バイオセンサーにおけるタンパク質工学^[87]および
• マイコトキシンなどの毒性代謝物の検出。

市販のバイオセンサーの一般的な例としては、血糖バイオセンサーがあります。これは、血糖を分解するために酵素グルコースオキシダーゼを使用します。その際、まずグルコースを酸化し、2 つの電子を使用して FAD (酵素の成分) を FADH ₂に還元します。次に、これが電極によっていくつかの段階を経て酸化されます。結果として生じる電流がグルコースの濃度の測定値となります。この場合、電極がトランスデューサーであり、酵素が生物学的に活性な成分です。

鉱夫がガスの存在を警告するために使用するケージの中のカナリアは、バイオセンサーと見なすことができます。今日のバイオセンサーの用途の多くは、人間が感知できるよりもはるかに低い濃度の有毒物質に反応する生物を使用してその存在を警告するという点で似ています。このようなデバイスは、環境モニタリング、^{[86] 、}微量ガス検出、水処理施設で 使用できます。

市販の血糖値モニターは、グルコースオキシダーゼによるグルコースのアンペロメトリックセンシングに依存しており、グルコースオキシダーゼはグルコースを酸化して過酸化水素を生成し、これを電極で検出します。アンペロメトリックセンサーの限界を克服するために、蛍光グルコースバイオセンサーなどの新しいセンシング方法の研究が盛んに行われています。^[88]

干渉反射イメージングセンサー（IRIS）は、光干渉の原理に基づいており、シリコン-シリコン酸化物基板、標準光学系、低出力コヒーレントLEDで構成されています。低倍率対物レンズを通して層状のシリコン-シリコン酸化物基板に光を照射すると、干渉シグネチャが生成されます。シリコン酸化物と同様の屈折率を持つバイオマスが基板表面に蓄積すると、干渉シグネチャが変化し、その変化を定量可能な質量と相関させることができます。Daaboulらは、 IRISを使用して、約19 ng/mLのラベルフリー感度を実現しました。^[89] Ahnらは、質量タグ付け技術を使用してIRISの感度を改善しました。^[90]

最初の発表以来、IRIS はさまざまな機能を実行できるように適応されてきました。まず、IRIS は、蛍光タンパク質マイクロアレイの変動に対処するための潜在的な方法として、干渉イメージング装置に蛍光イメージング機能を統合しました。^[91]簡単に言えば、蛍光マイクロアレイの変動は主に表面へのタンパク質固定化の不一致に起因し、アレルギーマイクロアレイで誤診を引き起こす可能性があります。 [92] タンパク質固定化の変動を補正するために、蛍光モダリティで取得したデータは、ラベルフリー モダリティで取得したデータで正規化されます。^[92] IRIS は、ラベルフリー バイオマス定量に使用される低倍率対物レンズを高倍率の対物レンズに切り替えるだけで、単一ナノ粒子の計数を実行できるようにも適応されています。 ^{[93] [94]}このモダリティにより、複雑なヒト生物学的サンプルのサイズ識別が可能になります。Monroeらは、 IRIS を使用してヒト全血と血清に添加されたタンパク質レベルを定量化し、サンプル処理を一切行わずに特性評価されたヒト血液サンプルのアレルゲン感作を判定しました。^[95]この装置の他の実用的な用途としては、ウイルスや病原体の検出などがある。^[96]

食品分析におけるバイオセンサーの用途はいくつかある。^{[97] [98] [99] [100]}食品業界では、病原体や食品毒素の検出に抗体でコーティングされた光学系がよく使用されている。通常、これらのバイオセンサーの光システムは蛍光であり、このタイプの光学測定は信号を大幅に増幅できるためである。

水溶性ビタミンなどの小分子や、スルホンアミドやベータ作動薬などの化学汚染物質（薬物残留物）の検出と測定のためのさまざまな免疫およびリガンド結合アッセイが、 SPRベースのセンサー システムで使用するために開発されており、多くの場合、既存のELISAやその他の免疫学的アッセイを改良したものです。これらは食品業界全体で広く使用されています。

バイオセンサーは、農薬、発がん性、変異原性、毒性のある物質、内分泌かく乱化学物質などの空気、水、土壌の汚染物質を監視するために使用できます。 ^{[101] [102]}

例えば、バイオナノテクノロジストは、多様な水質汚染物質のレベルを検出できる実用的なバイオセンサー、ROSALIND 2.0を開発した。^{[103] [104]}

オゾンは有害な紫外線を遮断するため、地球の大気のオゾン層に穴が開いていることが発見され、地表に届く紫外線の量について懸念が高まっています。特に懸念されるのは、紫外線が海水中にどの程度深く浸透するか、そして海洋生物、特にプランクトン（浮遊微生物）とプランクトンを攻撃するウイルスにどのような影響を与えるかという問題です。プランクトンは海洋食物連鎖の基盤を形成し、光合成のために_{二酸化炭素}を吸収することで地球の気温と天候に影響を与えると考えられています。

放射線生物学および環境衛生研究所（カリフォルニア大学サンフランシスコ校）の研究員デネブ・カレンツは、紫外線の浸透と強度を測定する簡単な方法を考案した。南極海で研究している彼女は、DNA への紫外線による損傷をほとんど修復できない特殊な大腸菌株を入れた薄いビニール袋をさまざまな深さに沈めた。これらの袋の中の細菌の死亡率を、同じ生物の未照射対照袋の死亡率と比較した。細菌の「バイオセンサー」は、深さ 10 メートルで常に顕著な紫外線損傷を示し、20 メートルと 30 メートルでも頻繁に顕著な紫外線損傷を示した。カレンツは、紫外線が海洋の季節的なプランクトンブルーム（急成長）にどのような影響を与えるかについて、さらに研究する予定である。^[105]

転移とは、循環器系またはリンパ系を介して、がんが体のある部分から別の部分に広がることです。^[106]体内にエネルギー（X線、磁場など）を送り、内部の写真のみを撮影する放射線画像検査（マンモグラム）とは異なり、バイオセンサーは腫瘍の悪性度を直接検査する可能性があります。生物学的要素と検出器要素の組み合わせにより、少量のサンプル、コンパクトな設計、迅速な信号、迅速な検出、研究対象の分析物に対する高い選択性と感度が可能になります。通常の放射線画像検査と比較して、バイオセンサーには、がんがどの程度広がっているかを見つけ、治療が有効かどうかを確認できるだけでなく、がんの早期段階で転移を評価するより安価で効率的な方法（時間、コスト、生産性の点で）であるという利点があります。

生物工学の研究者は、乳がんに対する腫瘍学的バイオセンサーを開発しました。^[107]乳がんは、世界中の女性に最も多く見られるがんです。^[108]一例として、トランスフェリン-水晶振動子マイクロバランス (QCM) が挙げられます。バイオセンサーとして、水晶振動子マイクロバランスは、交流電位から結晶の定在波の周波数の振動を生み出し、ナノグラムの質量変化を検出します。これらのバイオセンサーは、細胞 (癌細胞と正常細胞) 表面の受容体と相互作用し、高い選択性を持つように特別に設計されています。理想的には、これにより、マンモグラムによる定性的な画像検出ではなく、表面積あたりのこの受容体を持つ細胞の定量的な検出が可能になります。

ハジェテペ大学のバイオテクノロジー研究者であるセダ・アタイは、QCMとMDA-MB 231乳がん細胞、MCF 7細胞、および飢餓状態のMDA-MB 231細胞との間のこの特異性と選択性をin vitroで実験的に観察しました。^[107]彼女は他の研究者とともに、これらの異なる転移レベルの細胞をセンサーで洗浄する方法を考案し、異なる量のトランスフェリン受容体による質量シフトを測定しました。特に、乳がん細胞の転移力は、がん細胞表面のトランスフェリン受容体に付着する可能性のあるナノ粒子とトランスフェリンを含む水晶振動子微量天秤によって判定できます。トランスフェリン受容体はがん細胞で過剰発現しているため、選択性が非常に高くなります。細胞がトランスフェリン受容体を高発現している場合、それは転移力が高いことを示していますが、細胞は親和性が高く、質量の増加を測定するQCMに多く結合します。ナノグラムの質量変化の大きさに応じて、転移力を判定できます。

さらに、ここ数年、生検なしで肺がんのバイオマーカーを検出することに大きな注目が集まっています。この点で、バイオセンサーは、肺がんの早期診断のための迅速で、感度が高く、特異的で、安定的で、費用対効果が高く、非侵襲的な検出を提供するための非常に魅力的で適用可能なツールです。したがって、がんバイオセンサーは、抗体、相補的核酸プローブ、またはトランスデューサー表面上の他の固定化生体分子などの特定の生体認識分子で構成されています。生体認識分子はバイオマーカー（ターゲット）と特異的に相互作用し、生成された生物学的反応はトランスデューサーによって測定可能な分析信号に変換されます。生物学的反応の種類に応じて、電気化学、光学、質量ベースのトランスデューサーなど、さまざまなトランスデューサーががんバイオセンサーの製造に利用されています。^[109]

バイオセンサーは病原体の検出に使用できる可能性がある。^[102]

SARS-CoV-2などの病原体シグネチャーを検出する、ウェアラブルな埋め込み型バイオセンサー（検査機能内蔵のフェイスマスクなど）が開発されている。^{[110] [111]}参照：COVID-19公共交通機関の研究開発

新しいタイプのバイオセンサーチップは、「ドローンに搭載された病原体センサーが空気や廃水を積極的に調査する」ような新しい方法を可能にする可能性がある。タンパク質結合アプタマーは、感染症の病原体の検査に使用できる可能性がある。^{[112]バイオセンサー（または化学センサー）とヒューマンマシンインターフェースを内蔵した}電子スキン（またはロボットスキン）のシステムは、ウェアラブルだけでなく、遠隔感知デバイスまたはロボットによる病原体（およびいくつかの危険物質と触覚）の感知を可能にする可能性がある。^{[113] [追加の引用が必要]}

多くの光学バイオセンサーは、表面プラズモン共鳴（SPR）技術の現象に基づいています。 ^{[114] [115]}これは、金と他の材料（金属）の特性を利用しています。^[116]具体的には、高屈折率のガラス表面上の金の薄い層がレーザー光を吸収し、金の表面に電子波（表面プラズモン）を生成します。これは、入射光の特定の角度と波長でのみ発生し、金の表面に大きく依存するため、標的分析物が金表面の受容体に結合すると、測定可能な信号が生成されます。

表面プラズモン共鳴センサーは、ガラス板を支えるプラスチック カセットで構成されたセンサー チップを使用して動作します。ガラス板の片面は金の微細層でコーティングされています。この面は、機器の光学検出装置と接触します。反対側は、マイクロ流体フロー システムと接触します。フロー システムとの接触により、溶液中の試薬を通過させるチャネルが作成されます。ガラス センサー チップのこの面は、さまざまな方法で変更でき、対象の分子を簡単に付着させることができます。通常、カルボキシメチルデキストランまたは同様の化合物でコーティングされています。

チップ表面のフロー側の屈折率は、金側から反射される光の挙動に直接影響します。チップのフロー側への結合は屈折率に影響を及ぼし、このようにして、ある種のエネルギーを使用して生物学的相互作用を高感度で測定できます。生体分子が表面に付着すると、表面近くの媒体の屈折率が変化し、SPR 角度はこの変化に応じて変化します。

固定波長の光は、チップの金側で全反射の角度で反射され、機器内で検出されます。入射光の角度は、エバネッセント波の伝播速度を表面プラズモンポラリトンの伝播速度と一致させるために変化します。^[117]これにより、エバネッセント波がガラス板を貫通し、表面を流れる液体にある程度浸透します。

その他の光学バイオセンサーは、主に適切な指示化合物の吸光度または蛍光の変化に基づいており、全反射ジオメトリを必要としません。たとえば、牛乳中のカゼインを検出する完全に機能するプロトタイプデバイスが製造されています。このデバイスは、金層の吸収の変化を検出することに基づいています。^[118]広く使用されている研究ツールであるマイクロアレイもバイオセンサーと見なすことができます。

生物バイオセンサーはオプトジェネティックセンサーとも呼ばれ、遺伝子組み換えされた天然タンパク質または酵素を組み込むことが多い。タンパク質は特定の分析物を検出するように構成されており、その結果生じる信号は蛍光計やルミノメーターなどの検出機器で読み取られる。最近開発されたバイオセンサーの例としては、細胞膜上の受容体と相互作用するリガンドによって引き起こされる細胞シグナル伝達に関与するセカンドメッセンジャーである分析物 cAMP (環状アデノシン一リン酸) の細胞質濃度を検出するものがある。 ^[119]同様のシステムは、天然リガンドまたは異物 (毒素または小分子阻害剤) に対する細胞応答を研究するために作成されている。このような「アッセイ」は、製薬会社やバイオテクノロジー会社による創薬開発で一般的に使用されている。現在使用されている cAMP アッセイのほとんどは、cAMP の測定前に細胞を溶解する必要がある。 cAMP 用の生細胞バイオセンサーは、非溶解細胞でも使用でき、受容体応答の動態を研究するために複数の読み取りができるという追加の利点があります。

ナノバイオセンサーは、標的分析分子に選択的な固定化バイオ受容体プローブを使用します。ナノ材料は、非常に感度の高い化学および生物学的センサーです。ナノスケールの材料は、ユニークな特性を示します。その大きな表面積対体積比は、さまざまな設計を使用して、迅速かつ低コストの反応を実現できます。^[120]

その他のエバネッセント波バイオセンサーは、導波管を使用して商品化されており、導波管を通る伝搬定数は、導波管表面への分子の吸収によって変化します。その一例である二重偏光干渉計は、伝搬定数の変化を測定する基準として埋め込み導波管を使用します。マッハ・ツェンダーなどの他の構成では、基板上にリソグラフィーで定義された基準アームがあります。分子が吸収されるとリング共振器の共振周波数が変化する共振器形状を使用すると、より高いレベルの統合を実現できます。^{[121] [122]}

最近、多くの異なる検出器分子の配列が、いわゆる電子嗅覚装置に応用され、検出器からの反応パターンが物質の指紋を採取するのに使用されるようになった。^[123] Wasp Hound臭気検出器では、機械的要素はビデオカメラであり、生物学的要素は特定の化学物質の存在に反応して群がるように条件付けられた5匹の寄生蜂である。^[124]しかし、現在市販されている電子嗅覚装置は生物学的要素を使用していない。

DNA はバイオセンサーの分析対象物となり、特定の手段で検出されます。また、バイオセンサーの一部として、あるいは理論的にはバイオセンサー全体として使用することもできます。

DNAを検出する技術は数多く存在し、通常は特定のDNAを持つ生物を検出する手段となっている。上記のようにDNA配列も使用できる。しかし、より先進的なアプローチとして、DNAを合成して生物学的で安定したゲルに酵素を保持する方法もある。^[125]その他の応用としては、目的の分子に結合するために特定の形状を持つDNA配列であるアプタマーの設計がある。最も革新的なプロセスでは、 DNA折り紙を使用して、検出に有用な予測可能な構造に折り畳まれる配列を作成する。^{[126] [127]}

科学者たちは、空気中に吸い込まれた「空気中のeDNA」から動物のDNAを検出するためのプロトタイプセンサーを構築しました。^[128]

DNAで作られた「ナノアンテナ」は、新しいタイプのナノスケールの光アンテナであり、タンパク質に付​​着して、特に明確な構造変化に対して生物学的機能を発揮したときに蛍光を介して信号を生成することができる。^{[129] [130]}

グラフェンは、優れた光学的、電気的、機械的、熱的、機械的特性を持つ2次元炭素ベースの物質です。さまざまなタンパク質、特に炭素リング構造を持つタンパク質を吸収して固定化する能力により、グラフェンはバイオセンサートランスデューサーとして優れた候補であることが証明されています。その結果、最近ではさまざまなグラフェンベースのバイオセンサーが研究され、開発されています。^{[14] [131]}グラフェンは、特に電気化学センサーや電界効果トランジスタなど、さまざまな形式でバイオセンサーとして採用されています。その中でも特にグラフェン電界効果トランジスタ（GFET）は、GFETを使用したCOVID-19診断を報告する研究論文の急増からもわかるように、迅速なポイントオブケア（PoC）診断として優れた性能を示しています。それらは、最も低い検出限界のいくつかを持ち、数秒の迅速なターンアラウンドタイムと多重化機能を備えていることが報告されています。^[132]これらの機能により、特に最初は区別が難しい重複した症状がある場合でも、病気を即座に検出することができ、特に資源が限られている医療現場において患者の転帰を改善することができます。