Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες Μάμαντος Προδρομίδης

Transcript

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

2 Αμπερομετρικοί Βιοαισθητήρες

3 Ορισμός Βιοαισθητήρας ονομάζεται το σύστημα δύο μεταλλακτών, ενός χημικού και ενός φυσικού, οι οποίοι βρίσκονται σε επαφή και μετατρέπουν τη συγκέντρωση του αναλύτη σε μετρούμενο σήμα.. (Yacynych A.M., Select. Electr. Rev., 1990) ΑΝΑΛΥΤΗΣ Η 2 Ο 2 ΑΝΑΛΥΤΗΣ NADH ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΕΝΕΡΓΗ ΟΥΣΙΑ Χημικός Μεταλλάκτης Ένζυμο Αντίσωμα Αντιγόνο Βακτήριο Ιστός Διαμεσολαβητής Φυσικός Μεταλλάκτης Ηλεκτρόδιο

4 ΔΙΑΧΥΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΕΝΖΥΜΑΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΕΝΖΥΜΟ ΠΡΟΪΟΝ Υποκαταστάτης ΡΕΥΜΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΗΣ ΑΚΙΝΗΤ/ΝΟ ΕΝΖΥΜΟ

5 Τι προσφέρουν οι βιοαισθητήρες ΜΙΚΡΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΥΨΗΛΗ ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Ευαισθησία, Ακρίβεια Επαναληψιμότητα ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΟΙ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΙΑΣ ΧΡΗΣΗΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΧΡΗΣΕΩΝ ΓΡΗΓΟΡΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΝΕΧΗΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ (ΕΜΦΥΤΕΥΣΗ)

6 Κατάταξη βιοαισθητήρων ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΙΚΟΙ....μέτρηση ρεύματος ΟΠΤΙΚΟΙ....μέτρηση απορρόφησης, φθορισμού, φωταύγειας ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ..μέτρηση συχνότητας (ΔF=-2,3x10-6 F 2 ΔΜ/Α) ΕΜΠΕΔΗΣΙΟΜΕΤΡΙΚΟΙ...μέτρηση εμπέδησης ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΠΛΑΣΜΟΝΙΩΝ. μέτρηση δείκτη διάθλασης

7 Βασικοί τύποι αμπερομετρικών βιοαισθητήρων Υπόστρωμα + Ο 2 Οξειδάση Προϊόν + Η 2 O Οξειδάση Υπόστρωμα + Ο 2 Προϊόν + Η 2 O 2 Δεϋδρογονάση Υπόστρωμα + NAD + Προϊόν + NADH + H +

8 Βασικοί τύποι αμπερομετρικών βιοαισθητήρων Ηλεκτροχημική οξείδωση / αναγωγή Η 2 Ο 2 H 2 O 2 O 2 + 2H + + 2e -, H 2 O 2 + 2H + + 2e - 2H 2 O, E > 600 mv E < -400 mv Ηλεκτροχημική οξείδωση NADH NADH NAD + + H + + 2e -, E > 600 mv Ηλεκτροχημική αναγωγή Ο 2 O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O, E ~ -0,6 0,9 V

9 Προβλήματα στη χρήση βιοαισθητήρων Εφαρμογή υψηλών δυναμικών (υπέρταση) Εμφάνιση ηλεκτροχημικών παρεμποδίσεων (Ο 2, ασκορβικό οξύ, ουρικό, φαινόλες ) Στόμωση (fouling) των ηλεκτροδίων (δημιουργία ελευθέρων ριζών) Εξάρτηση της απόκρισης του αισθητήρα από την ποσότητα διαλυμένου Ο 2

10 Βιοαισθητήρες με mediators Η 2 Ο 2 + [Med] red Μη ενζυμικά ή Υπεροξειδάση [Med] ox + Η 2 Ο Μη ενζυμικά ή NADH + [Med] ox + H + [Med] red + NAD + Διαφοράση Υπόστρωμα + [Med] ox Ένζυμο FADH 2 - FAD Προϊόν + [Med] red

11 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Οξειδάση της γλυκόζης (GOx) και δεϋδρογονάση της γλυκόζης (GDH). Το συνένζυμο της GOx, το φλαβινοαδενιδο δινουκλεοτίδιο (FAD, η οξειδωμένη μορφή και FADH 2, η ανηγμένη μορφή) βρίσκεται ισχυρά συνδεδεμένο με το αποένζυμο της GOx, Το συνένζυμο της GDH, το νικοτιναμιδοαδενιδο δινουκλεοτίδιο (ΝAD +, η οξειδωμένη μορφή και NADH, η ανηγμένη μορφή) δεν εμπεριέχεται στο ενζυμικό μόριο και προστίθεται εξωγενώς. GOx Γλυκόζη + Ο 2 Γλυκονολακτόνη + Η 2 Ο 2 Γλυκόζη + NAD + GDH Γλυκονολακτόνη + NADH

12 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Α) Βιοαισθητήρες γλυκόζης με GOx Ι) Άμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός Ο 2 ή Η 2 Ο 2

13 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙ) Ηλεκτροχημικός προσδιορισμός Η 2 Ο 2 παρουσία διαμεσολαβητή.

14 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙΙ) Ηλεκτροχημική αναγωγή Η 2 Ο 2 παρουσία του ενζύμου υπεροξειδάση. Η 2 Ο 2 + [HRP] red H 2 O + [HRP] ox [Med] red + [HRP] ox [HRP] red + [Med] ox [Med] ox + e- [Med] red

15 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης VΙ) Οξείδωση του συνενζύμου FAD παρουσία ενός διαμεσολαβητή.

16 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης «ηλεκτρική καλωδίωση» του ενζύμου με το διαμεσολαβητή στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, μέσω μιας ηλεκτρονιακά αγώγιμης, οξειδοαναγωγικής υδροπηκτής (κολλοειδής πηκτής, στην οποία το νερό αποτελεί το μέσο διασποράς), στην οποία έχει ακινητοποιηθεί το ένζυμο.

17 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης V) Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών

18 Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών O - ring Περατοεκλεκτική μεμβράνη Ενζυμική μεμβράνη Προστατευτική μεμβράνη

19 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης V) Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών

20 Μεμβράνες με διαφορετικό μηχανισμό αποκλεισμού μορίων Ηλεκτρόδιο Οξική κυτταρίνη Αρνητικά φορτισμένη μεμβράνη Nafion Πολυκαρβονυλική μεμβράνη

21 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Β) Βιοαισθητήρες γλυκόζης με GDH Ι) Άμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH ΙΙ) Έμμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία διαμεσολαβητή

22 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙΙ) Έμμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία του ενζύμου διαφοράση

23 Βιοαισθητήρες Γλυκόζης VΙ) Hλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία του ενζύμου οξειδάση του NADH

24 Πλεονεκτήματα από την μέτρηση H 2 O 2 σε ενζυμικά συστήματα δεϋδρογονασών Προσδιορισμός Τριγλυκεριδίων

25 Προσδιορισμός κιτρικού οξέος ΚΙΤΡΙΚΟ ΟΞΥ CL ΟΞΑΛΟΞΙΚΟ ΟΞΥ + ΟΞΙΚΟ ΟΞΥ OACD ΟΞΑΛΟΞΙΚΟ ΟΞΥ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ ΟΞΥ + CO 2 POD, TPP, Mg 2+ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ ΟΞΥ + HPO O 2 ΑΚΕΤΥΛΟΦΩΣΦΟΡΙΚΑ + CO 2 + H 2 O 2 Φορέας Αντλία. Δείγμα POD/OACD Ανιχνευτής Απόβλητα TPP. Η/Υ e-008 4nA 2min 2e

26 Βιοαισθητήρας κιτρικού οξέος ΜΓ ΑΝ ΠΑ ΠΟΛΥΚΑΡΒΟΝΥΛΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ POD OACD POD OACD ΤΥΧΑΙΑ ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ POD POD OACD OACD ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ H 2 O 2 ΟΞΙΚΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ H 2 O 2 OACD OACD OACD OACD POD POD POD POD ΑΣΥΜΜΕΤΡΗ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ Pt

27 Βιοαισθητήρας μηλικού οξέος MDH ΜΗΛΙΚΟ ΟΞΥ + NAD + Οξαλικό οξύ + NADH + H + NADH + [Fe(CN) 6 ] 3- Διαφοράση NAD + + [Fe(CN) 6 ] 4, Εο = +300 mv Αντλία Φορέας NAD + Δείγμα MDH/DI Η/Υ Ανιχνευτής Απόβλητα 1,8e-008 1,6e nA 1,4e-008 2min 1,2e-008 1e-008 8e-009 6e-009 4e-009 2e

28 Προσδιορισμός Όζοντος

29 Προσδιορισμός Όζοντος

30 Εμπορικά διαθέσιμοι αναλυτές που βασίζονται σε αμπερομετρικούς βιοαισθητήρες

31 Οικονομικά στοιχεία Sectors US$ (million) % Comments Medical: glucose Diabetics control Medical: other 11 2 Lactate, urea, etc. Environmental 10 2 Mainly BOD indicators Other 31 6 Fermentation monitoring, food analysis, alcohol Total 508 Source: Cranfield Biotechnology center (1996) This study estimates that the market size for worldwide biosensors at yearend 2003 was about $7.3 billion. The market is projected to improve and grow to about $10.8 billion in 2007 with a growth rate of about 10.4%.

32 Glucose (Dextrose) Sucrose Lactose L-Lactate Galactose L-Glutamate Choline L-Glutamine Ethanol Hydrogen Peroxide Starch

33 SensAlyse

34

35 ProcessMonitor On-line monitoring of glucose in biotech production and pilot plants

36 Βιοαισθητήρες για ατομική χρήση