Σεμινάριο Φυσικής. Ενότητα 8. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 8 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 Δημάδη Μαρία Σεμινάριο φυσικής 2014 Υπέυθηνη καθηγήτρια: κα Μ. Μακροπούλου

4 Περιεχόμενα Εισαγωγή Που χρησιμοποιούνται οι Βιοαισθητήρες Αρχές-στοιχεία βιοαισθητήρα Κατηγορίες Υλικά κατασκευής Βιοαισθητήρας γλυκόζης Καινοτόμο ενδοσκόπιο Επιθυμιτά χαρακτηριστικά βιοαισθητήρων Μελλοντική ανάπτυξη βιοαισθητήρων Αναφορές

5 Τι είναι ένας βιοαισθητήρας Μια αναλυτική συσκευή, η οποία είναι ικανή να μετατρέψει μία βιολογική ποσότητα σε ηλεκτρικό σήμα. ευαίσθητη σε ένα φυσικό ή χημικό ερέθισμα μεταδίδει πληροφορίες για μια ζωτική διαδικασία Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

6 Εφαρμογές Οπτοηλεκτρονικών Βιοαισθητήρων Κλινική διάγνωση και στη βιοιατρική Μικροβιολογία: Ανίχνευση ιών και βακτηρίων Κτηνιατρική διάγνωση Ποιοτικό έλεγχο και φαρμακευτική ανάλυση Παραγωγή και τον ποιοτικό έλεγχο των τροφίμων Έλεγχος βιομηχανικών αποβλήτων Προσδιορισμός βιομηχανικών (τοξικών) αερίων Έλεγχος της ρύπανσης του περιβάλλοντος Στρατιωτικές εφαρμογές: Ανίχνευση ουσιών χημικού/βιολογικού πολέμου

7 Στοιχεία βιοαισθητήρα Ένας βιοαισθητήρας αποτελείται από: τον Αναλύτη δείγμα ένα βιοκαταλύτη ουσία που προκαλεί ή ευνοεί μια χημική αντίδραση ένα μετατροπέα μετατρέπει το σήμα έναν ενισχυτή έναν επεξεργατή εκτελεί τις λειτουργίες επεξεργασίας δεδομένων μια έξοδο-οθόνη Εικόνα 2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

8 Βιοκαταλύτης Ένζυμα Κύτταρα Ιστός Οξειδάση Νουκλεϊκό οξύ DNA RNA Αντίσωμα Πολυσακχαρίτης

9 Μετατροπείς Ταξινόμηση βάσει της αισθητήριας αρχής με την οποία ανιχνέυεται η μετρήσιμη ποσότητα Αγωγιμετρικοί Ποτενσιομετρικοί Χωριτικοί Αμπερομετικοί Θερμιδομετρικοί Σταθμικοί Οπτικοί Ακουστικοί-Συντονισμού Φθορισμού

10 Στοιχεία βιοαισθητήρα Εικόνα 3: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

11 Κατηγορίες Εικόνα 4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

12 Οπτικοί βιοαισθητήρες Οπτική ανίχνευση Αλλαγή φάσης : αλλαγή δείκτη διάθλασης Αλλαγή πλάτους Αλλαγή συχνότητας

13 Συμβολομετρικοί οπτικοί βιοαισθητήρες Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

14 Οπτικός βιοαισθητήρας βασισμένος στο συντονισμό επιφανειακών πλασμονίων (surface plasmon resonance -SPR). Εικόνα 6: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

15 Πλεονεκτήματα βιοαισθητήρα οπτικών ινών Μικρό μέγεθος χαμηλής ισχύος μικρό βάρος καλή απόδοση ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές

16 Υλικά επιφάνειας αισθητήρα Γυαλί και άλλες επιφάνειες οξειδίου (π.χ. SiO 2 ) λόγω των ευνοϊκών χαρακτηριστικών τους, ειδικά τα οπτικά χαρακτηριστικά τους Επίσης χρησιμοποιούνται ευρέως χρυσός μικροπορώδης χρυσός γραφίτης οξείδιο ινδίου - κασσίτερου /Indium Tin Oxide (ITO)

17 Στοιχεία βιοαισθητήρα Εικόνα 8: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

18 Βιοαισθητήρας γλυκόζης * Τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα ένζυμα βιοαίσθησης είναι η οξειδάση γλυκόζης (GOx) και η χρένο υπεροξειδάση(hrp) * (-) διάρκεια ζωής * (-) σταθερότητα * ευαίσθητα στο περιβάλλον

19 Βιοαισθητήρας γλυκόζης Εικόνα 9: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

20 Βιοαισθητήρας γλυκόζης ανάγκη βαθμονόμησης υπάρχει γραμμικότητα ανάμεσα στις ποσότητες Εικόνα 10: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

21 «An eye down the esophagus» Μια σύγχρονη εφαρμογή σε γαστροσκόπηση που λειτουργεί βάσει απεικόνισης οπτικής συχνότητας Εικόνα 11: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

22 «An eye down the esophagus» χωρίς αναισθησία χωρίς πόνο μπορεί να διεισδύσει και να κάνει απεικόνιση σε βάθος περίπου 10 μmαρκετό για να επιτρέψει την διάγνωση των μη φυσιολογικών προτύπων ανάπτυξης Εικόνα 12: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

23 «An eye down the esophagus» ο ιστός που επενδύει τον οισοφάγο συσσωρεύει ανώμαλες με πάροδο του χρόνου, αυξάνοντας τον κίνδυνο για καρκίνο του οισοφάγου Εικόνα 13: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

24 «An eye down the esophagus» Ενώνοντας τις διατομές στον υπολογιστή, είναι δυνατή η απεικόνιση τριών διαστάσεων Εικόνα 14: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

25 Επιθυμητά χαρακτηριστικά Ευαισθησία και δυνατότητα διαχωρισμού Επιλεκτικότητα και επαναληπτική ικανότητα Ταχύτητα απόκρισης Αξιοπιστία και ικανότητα αυτοελέγχου Να μην επηρεάζεται από ηλεκτρικές η περιβαλλοντικές παρεμβάσεις Να έχει συνάφεια το σήμα εξόδου με το περιβάλλον της μέτρησης Διάρκεια ζωής και δυνατότητα επισκευής και επαναχρησιμοποίησης Οικονομική τιμή

26 Μελλοντική ανάπτυξη Ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας Ακινητοποίηση ενζύμων και άλλων βιοκαταλυτών Νέα βιοαναγνωρίσημα μόρια Μείωση κόστους

27 Βιβλιογραφία Rafael Vargas-Bernal, Esmeralda Rodríguez-Miranda, Gabriel Herrera-Pérez, Evolution and Expectations of Enzymatic Biosensors for Pesticides, 2012 Μαστιχιάδης Χρίστος, Βιοαισθητήρες -Aνοσοαισθητήρες Αισθητήρες DNA, Ινστιτούτο Ραδιοϊσοτόπων-Ραδιοδιαγνωστικών προϊόντων, Εργαστήριο ανοσοαναλύσεων, ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ», 2005 Ilko Ilev, Fiber-optic biosensors and nanobiosensors, NATO Advance Study Institute, Gatineau, Canada, 2006 Μακροπούλου Μυρσίνη, Εισαγωγή στην Ιατρική Φυσική- Στοιχεία Βιονικής: Βιομιμητική, τεχνιτά όργανα-μέλη, βιοαισθητήρες, 2012 Kevin Jiang, An ingestible pill-sized device offers a 3D view of the esophagus, Spoonful of medicine Glucose biosensor, Pinnacle Tecnology inc Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos Vörös, Erik Reimhult, Electrochemical Biosensors - Sensor Principles and Architectures, 2008 Carlos A. J. Gouveia, Jose M. Baptista and Pedro A.S. Jorge, Refractometric Optical Fiber Platforms for Label Free Sensing, 2013 Taking It to the Streets with SPR, Biophotonics,

28 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.