Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες"

Χλωρίς Δραγούμης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες Μάμαντος Προδρομίδης Αναπληρωτής καθηγητής Αναλυτικής Χημείας, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Δουρούτη , Ιωάννινα

2 Εμπεδησιομετρικοί (χωρητικοί) Ανοσοχημικοί αισθητήρες

3 Αρχή λειτουργίας ανοσοχημικών προσδιορισμών Μέθοδος ELISA ΣΤΑΔΙΑ K f ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ Αντίσωμα (Ab) Αντιγόνο (Ag) Σύμπλοκο Ab-Ag ΙΧΝΗΘΕΤΗΣΗΣ Ενζυμικός Ιχνηθέτης ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ Υπόστρωμα Ενζυμικού Ιχνηθέτη Μέτρηση

4 Ηλεκτροχημική κυψελίδα Ποτενσιοστάτης

5 Ηλεκτρική διπλοστιβάδα Αντίσταση διαλύματος Αντίσταση πόλωσης ή μεταφοράς φορτίου Πυκνωτής διπλοστιβάδας

είναι το διηλεκτρικό υλικό (ε=80) Και η απόσταση των οπλισμών

6 Μοντέλο βιοχημικών πυκνωτών C = ε ε 0 Α / d Η τιμή της ηλεκτρικής διπλοστιβάδας κυμαίνεται στα μf/cm 2 To H 2 O είναι το διηλεκτρικό υλικό (ε=80) Και η απόσταση των οπλισμών (l) καθορίζεται από τη διάμετρο των (εφυδατωμένων) ιόντων του ηλεκτρολύτη

7 Χωρητικότητα Απλουστευμένο μοντέλο βιοχημικών πυκνωτών Διηλεκτρική στιβάδα - Φορέας ακινητοποίησης Στιβάδα αναγνώρισης - Αντίσωμα Αναλύτης - Αντιγόνο Ηλεκτρόδιο εργασίας Στάδια τροποποίησης και ανοσοχημική αντίδραση

8 Μοντέλο βιοχημικών πυκνωτών Διηλεκτρική στιβάδα - Φορέας ακινητοποίησης Στιβάδα αναγνώρισης - Αντίσωμα Βιοαισθητήρας Αναλύτης - Αντιγόνο Ηλεκτρόδιο εργασίας Ηλεκτρόδιο εργασίας = C ΟΛ C DL C Μ C Ab C B C AN ΔC = f ([αναλύτη]) = C ΟΛ C Β

9 Ευαισθησία βιοχημικών πυκνωτών C B C AN = C ΟΛ 1 C 1 C B 1 CAN C C CBCAN B C AN Η ευαισθησία της μεθόδου εκφράζεται από το λόγο μεταβολής της C ΟΛ που προκαλείται κατά τη δέσμευση του αναλύτη (C AN ) C C ΟΛ AN C B ( C B 2 CB C AN ) 2 C B >> C AN 1 C B A lb ε Β >> και l M <<

10 Χαρακτηριστικά διηλεκτρικής στιβάδας δυσδιάλυτη σε υδατικό περιβάλλον κατάλληλη διηλεκτρική συμπεριφορά υψηλή αρχική τιμή χωρητικότητας, συμπαγής (χωρίς οπές), ικανοποιητική μηχανική αντοχή, και με κατάλληλες δραστικές ομάδες (π.χ. ΝH 2, ΟΗ, COOH) για την ακινητοποίηση βιοϋποδοχέα ή κατάλληλη διαμόρφωση (πλέγμα πολυμερούς) για τη φυσική παγίδευσή του.

11 Αποκλίσεις από την ιδανική συμπεριφορά Σε αυτήν την περίπτωση είναι ενδείκνυται η μέτρηση της εμπέδησης αντί της χωρητικότητας

12 Κατάταξη εμπεδησιομετρικών βιοαισθητήρων Βάσει της φύσης του μετρούμενου σήματος, οι εμπεδησιομετρικοί βιοοαισθητήρες μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής δύο βασικές κατηγορίες: Α. Χωρητικοί (capacitive) αισθητήρες Β. Φαρανταϊκοί (faradaic) βιοαισθητήρες

13 Χωρητικοί (capacitive) αισθητήρες Η επιφάνεια του ηλεκτροδίου είναι πλήρως καλυμμένη από μια διηλεκτρική στιβάδα Ολόκληρη η συγκρότηση του αισθητήρα συμπεριφέρεται σα μονωτής. Η μεταβολή του χωρητικού ρεύματος μετρείται σε συχνότητες διέγερσης συνήθως Hz. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνικών μορίων προκαλούν μείωση της μετρούμενης χωρητικότητας α) τα λιγότερο πολικά μόρια πρωτεΐνης αντικαθιστούν τα πολικά μόρια νερού στη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη. β) η αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτεϊνικών μορίων αυξάνει το πάχος της βιοχημικής στιβάδας και κατ επέκταση την απόσταση μεταξύ των δύο οπλισμών Ιδανική διηλεκτρική συμπεριφορά Μη ιδανική διηλεκτρική συμπεριφορά

14 Φαρανταϊκοί εμπεδησιομετρικοί βιοαισθητήρες Η επιφάνεια του ηλεκτροδίου είναι μερικά καλυμμένη από μια διηλεκτρική στιβάδα ή πλήρως καλυμμένη από μια μονωτική στιβάδα Ολόκληρη η συγκρότηση του αισθητήρα συμπεριφέρεται σαν αγωγός ή ημιαγωγός. Η μεταβολή της συνολικής εμπέδησης μετρείται παρουσία ενός οξειδοαναγωγικού ζεύγους σε συχνότητες διέγερσης < 1 Hz. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνικών μορίων προκαλούν μείωση της διάχυσης του οξειδοαναγωγικού ζεύγους προς την επιφάνεια του ηλεκτροδίου

15 Διάφορες αρχιτεκτονικές ηλεκτρόδιων Ηλεκτρόδια χρυσού με SAMs, π.χ. θειόλες του τύπου X-(CH 2 )n-sh, Χ = NH 2, COOH και n = 3-21 Ηλεκτρόδια Si/SiO 2 με σιλάνια Ηλεκτρόδια M/M x O y με σιλάνια Παγιδευμένα ή ομοιοπολικώς συνδεδεμένα βιομόρια σε ηλεκτρόδια με αγώγιμα πολυμερή (π.χ. πολυπυρρόλιο) Ομοιοπολικώς συνδεδεμένα βιομόρια σε ηλεκτροπολυμερισμένα μη αγώγιμα υμένια (π.χ. πολυτυραμίνη)

16 Σύνδεση χρυσού θειολών (R-SH) Οι θειόλες (R-SH) συνδέονται με το χρυσό με εξαιρετική ευκολία ΔG > -150 kj/mol HS (CH 2 )n CH 3, n = NH 2, -COOH, -OH, -HS n < 6, αγώγιμες επικαλύψεις 6 < n < 10 ημιαγώγιμες επικαλύψεις n > 11 μη αγώγιμες επικαλύψεις

17 Διάφοροι τύποι θειολών (R-SH) Au Au

18 Σύνδεση χρυσού θειολών (R-SH)

19 Ανοσοχημική αντίδραση

20 Προσδιορισμοί μέσω σύνδεσης Ab Ag

21 Προσδιορισμός Χοριακής Γοναδοτροπίνης (ΗCG) Κατάσταση Ηλεκτροδίου nf / cm 2 Γυμνό ηλεκτρόδιο (Au) θειοκτικό οξύ αντίσωμα 2480

22 Φαρανταϊκοί εμπεδησιομετρικοί βιοαισθητήρες Σταδιακή μείωση της διάχυσης Fe(CN)6] 3-/4- προς την επιφάνεια του ηλεκτροδίου λόγω της επικάλυψης αυτού α) με τη στιβάδα της θειόλης β) με τα κύτταρα

23 Σχηματική απεικόνιση βιοαισθητήρα Ti/TiO 2 Διάγραμμα Βode ηλεκτροδίου Ti/TiO 2 /αβιδίνης (ο) πριν και ( ) μετά τη δέσμευση 10 μg ml 1 αντι-αβιδίνης

24 Ηλεκτροπολυμερισμός πολυ-τυραμίνης (Ptyr)

25 - Z'' / kohm Προσδιορισμός παθογόνων μικροργανισμών 150 (A) c d e b a Z' / kohm (A) Nyquist and (B) Bode plots of: (a) Ηλεκτρόδιο χρυσού (Au), (b) Ηλεκτρόδιο χρυσού τροποποιημένο με Ptyr (Au/Ptyr), (c) Au/Ptyr/Anti-Salmonella, (d) Au/Ptyr/Anti-Salmonella / CFU salmonella sp., (e) Au/Ptyr/Anti-Salmonella / CFU salmonella sp.

26 Προσδιορισμός παθογόνων μικροργανισμών

27 Άμεση χρήση χωρίς προκατεργασία του δείγματος broth sample proliferation

28 Προσδιορισμός Salmonella στο γάλα (a) (b) (c) Βιοαισθητήρας Βιοαισθητήρας σε δείγμα γάλακτος με E.coli Βιοαισθητήρας σε δείγμα γάλακτος με S. typhimurium

29 Ενίσχυση του σήματος Η ευαισθησία ενός φαρανταϊκού εμπεδησιομετρικού αισθητήρα εξαρτάται από το μέγεθος και την ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά του οξειδοαναγωγικού ζεύγους. Τα μικρά μόρια, π.χ. σιδηρι-/σιδηροκυανιούχα ανιόντα μπορούν να διεισδύουν μέσα από το σύμπλοκο αντισώματος-αντιγόνου. Έτσι, αντί μικρών μορίων έχουν χρησιμοπιηθεί μεγαλομοριακές οξειδοαναγωγικές ενώσεις, όπως το NADH, διάφορα ετεροπολυοξέα, ή ακόμα και οξειδοαναγωγικά ένζυμα. Εναλλακτικά, η ευαισθησία των εμπεδησιομετρικών βιοαισθητήρων μπορεί να αυξηθεί όταν το σήμα που προέρχεται από την κύρια αλληλεπίδραση αντισώματος αντιγόνου ενισχυθεί με κάποια συμπληρωματική αντίδραση. (α) αλληλεπίδραση με δευτερογενή αντισώματα, (β) αλληλεπίδραση με βιοτινυλιωμένα δευτερογενή αντισώματα και περαιτέρω επώαση με αβιδίνη και (γ) αλληλεπίδραση με ενζυμικά τροποποιημένα δευτερογενή αντισώματα και περαιτέρω επώαση με διαλυτές χημικές ουσίες, οι οποίες παρουσία των ενζυμικών ιχνηθετών μετατρέπονται σε αδιάλυτες ενώσεις που καταβυθίζονται στην επιφάνεια των βιοαισθητήρων και αυξάνουν έτσι έμμεσα το διηλεκτρικό χαρακτήρα του ηλεκτροδίου και κατ επέκταση το μετρούμενο σήμα.

30 Ενίσχυση του σήματος

31 Ενίσχυση του σήματος

32 A faradic impedimetric biosensor for the determination of the clotting activity of rennet Rennet: a natural enzyme mixture (chymosin+pepsin) found in mammalian's stomach, which is used for cheese making Importance of Rennet in cheese industry

33 Milk micelles and action of rennet R-----Phe(105) Met(106)----R (Chymosin) Rennet R-----Phe(105) para-k-casein pi>7, positively charged Micelles as a whole become neutral, and agglomerate GMP soluble peptide cheese serum Milk micelles have a net negative charge and repulsing forces hold them in suspension

34 Schematic of the Immunosensor used for the assessment of the clotting power of rennet

35 FT-IR studies Soluble Casein Immobilized Casein (biosensor) After incubation to blank solution After incubation to rennet sample

36 Impedimetric profile of the biosensors a) Au electrode b) Au/DTSP electrode c) Au/DTSP/micelles (biosensor) d) after incubation in rennet solution e) after incubation in blank sample a) 0.05% w/v rennet in 50 mm imidazole ph 5 b) 0.1% w/v rennet in 50 mm imidazole ph 5 c) 0.2% w/v rennet in 50 mm imidazole ph 5

37 Correlation with a reference method Application of Au/DTSP/ACM biosensors to various rennet samples. At electrochemical measurements, the standard deviation of the mean ranges from 9 16%, n = 3. Sample Incubation time, min Form Clotting power (Berridge method) Proposed biosensors ΔS(%) Hansen 15 liquid (1+1 v/v) 1:36, Danisco 15 liquid (1+1 v/v) 1:61, Hansen 15 solid (0.05% w/v) 1:130, Ipirotopoula 15 solid (0.05% w/v) 1:48, Hansen 5 solid (0.2% w/v) 1:130, Ipirotopoula 5 solid (0.2% w/v) 1:48,500 14

Σχετικά έγγραφα

Ηλεκτροχημικοί Αισθητήρες & Βιοαισθητήρες

Μάμαντος Προδρομίδης Επίκουρος Καθηγητής Αναλυτικής Χημείας Πανεπιστημίου Ιωαννίνων Ηλεκτροχημικοί Αισθητήρες & Βιοαισθητήρες Ιωάννινα 2010 Εισαγωγικό σημείωμα Το βιβλίο αυτό αποτελεί μια βελτιωμένη έκδοση